gps y teledeteccion

Serie Didáctica N° 3 Sistemas de Posicionamiento Global: Sistema GPS

Ing. Ftal Fabian Reuter – Facultad de Ciencias Forestales - UNSE I

ÍNDICE

CAPITULO I: HISTORIA DE LOS SISTEMAS DE NAVEGACIÓN

1.1. Introducción ............................................................................. 1

1.2. Observación a globos .............................................................. 2

1.3. Métodos de navegación........................................................... 3

1.3.1. Sistemas inerciales .................................................. 3

1.3.2. Radiolocalización ..................................................... 3

1.4. Sistemas basados en satélites ................................................ 5

1.4.1. Primeros satélites..................................................... 5

1.4.2 Generalidades sobre satélites................................... 5

1.4.3. Tipos de satélites ..................................................... 6

1.4.4. Posicionamiento....................................................... 6

1.5. Sistemas actuales.................................................................... 7

1.6. Sistema SLR............................................................................ 8

1.7. Sistema VLBI ...........................................................................13

1.8. Sistema TRANSIT....................................................................18

CAPITULO II: CONSTITUCIÓN Y FUNCIONAMIENTO

DEL SISTEMA GPS

2.1. Introducción ............................................................................20

2.1.1 Definición.................................................................. 21

2.2. Servicios ofrecidos por el sistema GPS...................................21

2.3. Descripción del sistema GPS ..................................................23

2.4. Sector espacial ........................................................................24

2.4.1. Satélites ...................................................................27

2.4.1.1. Satélites del bloque I.....................................27

2.4.1.2. Satélites del bloque II....................................28

2.4.1.3. Satélites del bloque II r .................................29

2.5. Sector de control......................................................................30

2.5.1. Estación maestra de control.....................................31


Ing. Ftal Fabian Reuter – Facultad de Ciencias Forestales - UNSE II

2.5.2. Estaciones de monitoreo..........................................31

2.5.3. Estaciones de campo...............................................33

2.6. Sector de usuarios ...................................................................34

2.7. Equipo de observación. ...........................................................34

2.7.1. La antena ...................................................................34

2.7.2. El sensor: ...................................................................36

2.7.3. El controlador .............................................................37

2.8. Clasificación de los receptores GPS........................................38

2.8.1. a. Por el número de canales ....................................38

2.8.2. b. Por el tipo de canal...............................................39

2.8.3. c. Por el tipo de señal observado: ............................39

2.8.4. d. Por el método de geoposicionamiento .................40

2.8.5. e. Otras clasificaciones ............................................41

2.9. Estructura de la señal ..............................................................42

2.10. Degradación de la precisión ..................................................44

2.10.1. S/A -- Disponibilidad Selectiva ...............................46

2.10.2. A/S -- Antifraude.....................................................46

2.11. Sistemas de medida ..............................................................47

2.11.1. Pseudodistancia .....................................................47

2.11.2. Medidas de fase.....................................................49

2.12. Métodos de posicionamiento .................................................50

2.13. Método absoluto ....................................................................50

2.14. Método diferencial..................................................................50

2.14.1. a. DGPS en tiempo real .........................................51

2.14.2. b. DGPS Post-procesado .......................................52

2.14.3. c. DGPS de Campo................................................53

2.15. Método Relativo Interferómetrico...........................................53

2.16. Principios de Funcionamiento................................................54

CAPITULO III: ERRORES EN LAS OBSERVACIONES

3.1. Introducción .............................................................................58

3.2. Errores relativos al satélite.......................................................60

3.2.1. Error del reloj del satélite..........................................60


Ing. Ftal Fabian Reuter – Facultad de Ciencias Forestales - UNSE III

3.2.2. Errores en los parámetros orbitales .........................60

3.3. Errores relativos a la propagación de la señal .........................61

3.3.1. Refracción ionosférica..............................................62

3.3.2. Refracción troposférica ............................................64

3.3.3. Disponibilidad selectiva ............................................65

3.3.4. Pérdidas de ciclos ....................................................65

3.3.5. Efecto multipath .......................................................66

3.4. Errores relativos al receptor .....................................................68

3.4.1. Error del reloj............................................................68

3.4.2. Error en el estacionamiento de la antena.................68

3.4.3. Errores en la manipulación de los equipos ..............68

3.4.4. Variación del centro radioeléctrico de la antena ......69

3.5. Dilución de la precisión ............................................................69

3.6. Conclusión ..............................................................................71

Referencias Bibliograficas ...............................................................72


Ing. Ftal Fabian Reuter – Facultad de Ciencias Forestales - UNSE IV

PRÓLOGO

Esta serie didáctica tiene el objetivo de servir como manual técnico o guía

práctica para estudiantes o interesados en el Sistema de Posicionamiento Global

(GPS), tanto para aplicaciones técnicas en topografía, digitalización de superficies

reales, recopilación de datos para Sistemas de información Geográfica, así como

para aplicaciones personales en agrimensura, navegación aérea, marítima v

terrestre, o simplemente para actividades de recreación.

El tratamiento de los temas posee una profundidad compatible con un

nivel introductorio para estudiosos del tema, siendo de fácil comprensión para

aquellos que se inician en el mismo.

Existen temas que no se incluyen y algunos que son tratados en forma

superficial, en esta serie didáctica, a los efectos de no complicar y facilitar de esta

forma la comprension de los temas tratados.

Esta serie incluye un análisis histórico de los sistemas de

posicionamiento, que precedieron a los actualmente vigentes GPS y GLONASS.

Dada la diversidad de fabricantes y tipos de receptores GPS, esta serie

didáctica tratará de manera técnica los diferentes métodos de posicionamiento y

tratamiento de datos, así como las consideraciones necesarias para la correcta

utilización del equipamiento.

Frecuentemente, los aparatos de GPS se aplican a los trabajos de mapeo

como si fueran herramientas mágicas que se llevan al campo, se aprietan unos

botones y se toman coordenadas sin tomar en cuenta la forma en que el

instrumento trabaja o lo que éste muestra. Los aparatos de GPS NO son

mágicos.

Son simplemente instrumentos de alta tecnología que detectan señales

relativamente débiles provenientes de satélites en órbita y que hacen trilateración

algorítmica en base a las señales que reciben. Todo lo demás que el aparato

hace o representa gráficamente es simplemente aquello que el operador

programa. El viajar al campo con la noción de que el aparato de GPS ya "conoce"

los objetivos de la persona que lo maneja, producirá posiciones registradas que

no cumplen las normas necesarias para un trabajo serio de mapeo. El GPS es

una herramienta entre varias y su implementación no es necesaria, sí se puede

demostrar la efectividad en cuanto a costo o la exactitud de otros métodos menos


Ing. Ftal Fabian Reuter – Facultad de Ciencias Forestales - UNSE V

sofisticados. Sin embargo, una vez que se ha decidido implementar esta

tecnología, el primer paso es entender como funciona y el segundo paso es

decidir como aplicarla.


Ing. Ftal Fabian Reuter – Facultad de Ciencias Forestales - UNSE 1

CAPÍTULO I

HISTORIA DE LOS SISTEMAS DE NAVEGACIÓN

1.1. INTRODUCCIÓN

Los sistemas de navegación solucionan un problema muy antiguo en la

historia de la humanidad: La necesidad de conocer la posición sobre la superficie

terrestre. Sin esa capacidad los movimientos por tierra deberían basarse en

puntos de referencia conocidos, y los movimientos marítimos deben restringirse a

una franja de mar en que la costa sea visible.

A B

C E

Figura 1: Instrumentos usados para navegación: A Octante, B Astrolabio,

C Teodolito, D Brújula



Al principio el hombre se basó en la observación de los astros para

obtener

• Referencias espaciales: como la estrella Polar indicando el norte en el

hemisferio norte y la cruz del sur en el hemisferio sur.

• Temporales: como la altura del Sol.

Las observaciones astronómicas favorecieron el desarrollo de la

trigonometría y la geometría esférica.

Más adelante se desarrolló el astrolabio que permitió medir con mayor

precisión la altura de los astros, con lo que la medida de la posición fue mucho

más precisa.

Para obtener una buena estimación de la posición es necesario conocer

de forma fiable el tiempo, por lo que fue necesario el desarrollo de mecanismos

de relojería más precisos que la simple observación Solar.

Con el descubrimiento de la brújula la tarea de navegar mar adentro se

hizo mucho más segura.

Los métodos antiguos no permiten una gran precisión, se consiguen

mediante complejos cálculos que no los hacen útiles para posicionar vehículos a

gran velocidad, y no funcionan en todas las condiciones meteorológicas. Con la

llegada del siglo XX aparecieron nuevos sistemas de posicionamiento.

La principal fuerza de desarrollo provino, como tantas cosas en las

telecomunicaciones, de los intereses militares, que buscaban determinar la

posición de sus unidades de ataque para guiarlas hacia sus objetivos.

1.2. OBSERVACIÓN A GLOBOS

Hubo brillantes enlaces entre redes sin íntervisibilidad, como la unión

entre las redes geodésicas británica y escandinava, hecha entre las costas

escocesa y noruega, o el enlace geodésico de la isla de Córcega al continente

europeo.

Estas operaciones se hicieron observando desde ambas costas (no ínter

visibles) con una serie de teodolitos, de lectura fotográfica sincronizada por radio,

a globos sucesivamente liberados a lo largo de una línea intermedia entre ambas

costas. Así se establecía entre ambas redes, por intersección directa, una cortina

de puntos comunes con coordenadas en el sistema de cada red, pudiéndose

enlazar ambas con satisfactoria precisión.



Pero todo ello era sólo aplicable a casos aislados. Los geodestas sabían

que necesitaban algo más alto que pudiera observarse desde cualquier sitio.

1.3. MÉTODOS DE NAVEGACIÓN

Se desarrollaron dos métodos distintos de navegación de forma paralela:

Navegación inercial y radiolocalización.

1.3.1. Sistemas inerciales

Se basa en el principio de inercia y en la relación existente entre las

aceleraciones y la posición. Se usan acelerómetros y giroscopios para medir los

cambios de velocidad y dirección. Conociendo la posición inicial de partida, se

puede determinar la posición relativa.

Presentan la ventaja de que son independientes del exterior; son

autocontenidos. No se pueden interferir y por eso se han usado para guiado de

misiles y torpedos, así como de referencia auxiliar para misiles, buques y aviones

de guerra. El principal inconveniente es que el error es acumulativo por lo que las

prestaciones del sistema empeoran a medida que pasa el tiempo. Se pueden

cometer errores de hasta 2 Km. por hora de vuelo.

1.3.2. Radiolocalización

Los sistemas de radiolocalización se basan en la obtención de unas

líneas de posición midiendo la diferencia en los instantes de llegada de ondas

transmitidas por estaciones emisoras sincronizadas y de posición conocida: La

intersección de esas líneas determina la posición sobre la superficie terrestre

El geoposicionamiento utilizando ondas de radio Para mediar distancias,

fue utilizado por primera vez a finales de años 40, durante el transcurso de la

Segunda Guerra Mundial.



Figura 2: Esquema del radioposicionamiento, midiendo distancias a las

estaciones, y por trilateración se calcula la posición actual.

Este sistema denominado HIRAN ("High RANging"), determinaba la

Posición de aviones mediante un proceso de trilateración electrónica (medida de

los lados por interferometría "doppler").

Otro sistema fue el Loran (Long Rang Navigation) desarrollado en el MIT

durante la II Guerra Mundial para guiar los convoyes en el océano Atlántico en

condiciones meteorológicas adversas y proporcionaba una cobertura de hasta

1200 Km. en el mar. Su funcionamiento se basaba en la emisión de pulsos

sincronizados desde varias emisoras separadas y conocidas. Fue el primer

sistema de navegación para todo tipo de clima y posición. La precisión ofrecida

era de 1.5 Km. Tras la guerra se adoptó para fines pacíficos en la guardia costera

y se pasó a llamar Loran-A.

Después se desarrolló un sistema de cobertura global con pocas

estaciones transmisoras: el sistema Omega. La precisión de este sistema era

muy pobre.

Apareció luego un sistema mejorado a partir del Loran: el Loran-C con el

cual se obtienen precisiones aceptables de hasta 100 metros en condiciones

atmosféricas ideales.



1.4. SISTEMAS BASADOS EN SATÉLITES

1.4.1. Primeros satélites

En un simposium científico celebrado en Toronto en septiembre de 1957,

se presentó una comunicación sobre posibles aplicaciones geodésicas de

hipotéticos satélites artificiales.

Actitud que, desde luego, no impidió que semanas más tarde, concreta-

mente el 4 de octubre de 1957, la URSS pusiera en órbita el primer satélite

artificial de la Tierra: el Sputnik 1.

El Sputnik 1 pesaba 83 Kg. emitió señales de radio durante tres semanas.

Su órbita era bastante excéntrica, con altitudes entre 216 y 1136 Km. tenía un

período orbital de 96 minutos.

Y la historia de la Geodesia espacial comenzó, porque pronto pudieron

observar que, analizando el corrimiento Doppler de las señales radiodifundidas

desde el Sputnik 1 y recibidas en estaciones de posición conocida, era posible

establecer la órbita del satélite; una vez establecida, podía realizarse el

procedimiento al revés y obtener la situación de un receptor en distinta localiza-

ción, después de la recepción y análisis de las señales recibidas durante

diferentes y suficientes pasos del satélite.

Este procedimiento, aplicado a emisiones no especialmente idóneas para

los fines descritos, no ofrecía una elevada precisión, pero ponía de manifiesto la

viabilidad de la aplicación. Posteriormente, esta técnica, ha sido una de las

empleadas en muchos sistemas.

1.4.2. Generalidades sobre satélites

Antes de empezar con la descripción de los sistemas que han sido, o son

operativos, es conveniente hacer unas puntualizaciones sobre los tipos de

satélites, el planteamiento general del posicionamiento por satélites, y ciertos

aspectos de la propagación de las emisiones radioeléctricas.

A todos los sistemas de satélites, tras su etapa experimental, se les han

ido buscando y encontrando aplicaciones, incluso diferentes de las originales,

como posicionamiento, vigilancia, comunicaciones, Meteorología, Geodesia,

Astronomía, Geofísica, Teledetección, etc.



Esto también ocurre también con los sistemas militares, que cuando son

desclasificados, o sea, se divulga oficialmente información total o parcial sobre

sus aspectos técnicos, la comunidad científica empieza a intentar usarlos con

fines civiles.

1.4.3. Tipos de satélites

Los satélites pueden dividirse en dos clases: pasivos y activos. Los

pasivos carecen de cualquier mecanismo y de emisiones propias; sólo pueden

devolver la energía que en ellos incida, bien por simple reflexión o con prismas

retrorreflectores. Los activos pueden tener luces pulsantes de alta intensidad,

repetidores de microondas, transmisores radioeléctricos con modulaciones

diversas, radioaltímetros, sensores remotos, etc.

También poseen el adecuado sistema de producción de energía, normal-

mente con placas fotovoltaicas o paneles solares; suelen tener baterías para

almacenar la energía eléctrica y poder ser operativos cuando la Tierra eclipse la

radiación solar. Pueden disponer también de elementos para su control y

maniobra (combustible, motores cohete, etc.).

Resumiendo tenemos que con el advenimiento de la era espacial,

iniciada en 1957 con lanzamiento del satélite ruso "Sputnik", la técnica de

trilateración electrónica terrestre evolucionó hacia la trilateración espacial. En este

caso las coordenadas de los radiofaros (satélites) son determinadas por las

efemérides de estos satélites y calculadas a partir de las Leyes de Kepler, lo cual

permite determinar parámetros orbitales consistentes e instantáneos.

1.4.4. Posicionamiento

El problema del posicionamiento por satélites es siempre el mismo:

queremos obtener nuestra situación respecto al origen, o vector posición. Para

ello debemos conocer la situación del satélite respecto al origen, o vector satélite,

y obtener, a partir de nuestras observaciones, el vector observación entre el

satélite y nuestra estación. Resumiendo: debemos conocer un vector y medir otro.

El vector satélite puede ser conocido si disponemos de las efemérides,

permitiendo calcular su posición en función del tiempo. Las efemérides han de ser

facilitadas por los operadores de la constelación, tras hacer su seguimiento desde

ciertas estaciones terrestres de posiciones conocidas.



Para navegación, el vector observación ha de ser continuamente recalcu-

lado en tiempo real o inmediato.

Figura 3: Navegación utilizando GPS.

El problema siempre puede invertirse: conocido el vector posición y el

vector observación puede determinarse el vector satélite, y en sucesivas

observaciones, los parámetros orbitales, que es lo que se hace desde las

estaciones de control.

Para expresarlo de una forma elemental: si sabemos donde están los

satélites, podemos situarnos; si sabemos nuestra situación, podemos situar los

satélites (o determinar sus efemérides).

1.5. SISTEMAS ACTUALES

Los sistemas más conocidos en nuestro ámbito son: SLR, VLBI,

TRANSIT (llamado genéricamente DOPPLER) y GPS.

El SLR (Satellite Láser Ranging) es un sistema de medida absoluta por

láser a satélites.



La VLBI (Very Long Baseline Interferometry) permite calcular, por medios

interferométricos, la distancia entre los centros radioeléctricos de dos o más

radiotelescopios que observen un mismo cuásar.

La constelación TRANSIT usa el método Doppler.

El GPS, puede trabajar en sistema Doppler, en medida directa de

distancias absolutas, seudo distancias o en comparación de fase de frecuencia

de portadora.

1.6. SISTEMA SLR

El sistema SLR se basa en la medición de distancia a un satélite en

función del tiempo de tránsito de un haz láser. Los satélites utilizados en este

sistema son “pasivos”, ya que son simples esferas recubiertas de prismas de

reflexión total como los usados para distanciometría electro-óptica, aunque hay

otros satélites mixtos multifunción que, entre otros dispositivos activos, llevan

prismas reflectores pasivos utilizables en este sistema.

El instrumento de estación está constituido por un potente láser pulsante,

un reloj atómico, un contador, un fotodetector, la óptica necesaria, un ordenador y

la infraestructura mecánica de estacionamiento y puntería.

Conocida la orientación y posición aproximada de la estación y las

efemérides del satélite a observar, el ordenador calcula sus coordenadas topo

céntricas locales para el momento de la observación.



Figura 4: Constelación de Satélites SLR.

En el momento establecido, el láser produce un pulso que es enviado al

satélite, a la vez que se empieza a contar tiempo con el reloj atómico. Al llegar el

retorno se detiene la cuenta. En función del tiempo de tránsito y la velocidad de la

luz, se calcula la distancia.

Los primeros láseres, que eran de rubí, han sido casi reemplazados por

los YAG de Nd (cristal de Ytrio Aluminio Granate con iones de neodimio). Durante

150 picosegundos (lo que tarda la luz en avanzar media longitud de un cigarrillo)

emite un pulso con casi 2 GW de potencia, la potencia eléctrica media que

necesita una ciudad grande.



Hagamos la puntualización de que, aunque la energía emitida no es

especialmente cuantiosa, al tender a cero su tiempo de emisión, su potencia

tiende a infinito.

El pulso puede repetirse varias veces por segundo formando un bloque, y

una observación puede consistir en varios bloques.

Las precisiones, que eran métricas en la primera generación de

instrumentos, están actualmente a nivel de algunos centímetros.

Las correcciones a aplicar son: por movimiento relativo satélite-receptor

durante el tiempo de tránsito y refracción troposférica.

No tienen con la ionosfera el problema del retardo propio de las señales

radioeléctricas, pero a cambio exigen visibilidad directa.

a)



b)

c)

Figura 5: Satélites utilizados en el sistema SLR: a) Etalon (página

anterior), b) Ajisai, c) Starlette y Lageos.

Como ya se ha dicho, los satélites utilizados suelen ser esferas pasivas

recubiertas de prismas, como el LAGEOS (LAser GEOdinamic Satellite) de 60

cm. de diámetro, puesto en órbita en 1976 a 5900 Km., de altitud menor y en

órbita más baja cabe citar al Starlette.



Otros satélites con capacidad SLR son los Explorer, Diadem, Peole,

GEOS, AJISI, EGP, aunque pueden tener otras aplicaciones. Por ejemplo los

GEOS (Geodetic Earth Orbiting Satellite), orientada su cara activa hacia la Tierra

por mástil (o apéndice) y la actuación del gradiente de gravedad (efecto conjunto

que podría definirse como «flotación gravitatoria»), poseen balizas ópticas o

emisiones de destellos para técnicas fotográficas, prismas de reflexión total para

retorno láser, repetidor de microondas para telemetría radar y transmisor continuo

para conteo Doppler.

Las estaciones SLR son estacionarias y conforman una red mundial de

25.

Figura 6: Red mundial de estaciones SLR.

Idéntica técnica se usaba en el LLR (Lunar Láser Ranging). Hacia 1973,

cinco cajas o grupos de prismas se pusieron en la Luna por las misiones Apolo y

Lunakhod y conforman aproximadamente un cuadrilátero de 1000 Km. de lado.

En esta técnica las exigencias eran muy severas, porque el pulso láser

debía atravesar tres cuartos de millón de kilómetros, y más considerando que las

precisiones alcanzadas eran del orden de 15 cm.



Figura 7: Prismas en la luna.

Es remarcable que por los grandes y bruscos cambios térmicos que se

sufren, tanto en el espacio como en la superficie lunar, los prismas usados en

estas técnicas son de cuarzo fundido, ópticamente perfecto y con coeficiente de

dilatación virtualmente nulo.

La técnica SLR hizo decaer el interés por la LLR que, no obstante, hizo

aportes significativos en la determinación de parámetros rotacionales de la Tierra

y la Luna.

1.7. SISTEMA VLBI

La interferometría de linea-base muy larga, VLBI (Very Long Baseline

Interferometry), descrita por algunos autores como interferometría

radioastronómica, está plenamente operativa y constituye, con amplia diferencia,

el más preciso de todos los sistemas de posicionamiento global.

Este sistema permite medir el vector que une los centros radioeléctricos

de dos radiotelescopios que podrían estar en la Tierra hasta diametralmente

opuestos, aunque no es habitual medir bases superiores a 10 000 Km.

Tanto la astronomía tradicional de observación a estrellas como todos los

métodos de posicionamiento por satélite pretenden fijar la posición de uno o más

puntos sobre la superficie terrestre, observando a puntos de posición conocida:

satélites con efemérides disponibles o estrellas de la propia galaxia.



Pero si aumentamos la precisión, la posición de estos puntos de

referencia empieza a mostrar indeterminaciones. Hasta las estrellas, «fijas» para

los antiguos, resultan ya no ser tan «fijas». Es como si navegando quisiéramos

fijar nuestra posición respecto a las luces de situación de otras barcas, ancladas

en situación, aproximadamente bien conocida, pero no del todo inmóviles.

Necesitamos un marco de referencia más lejano y estable. Desde un

punto de vista marino, serían los faros de costa; en Geodesia espacial se han

podido emplear los cuásares, radiofuentes naturales.

Figura 8: Esquema del funcionamiento VLBI

Las radiofuentes naturales existentes en el espacio pueden ser

Galácticas o extragalácticas. Las radiofuentes Galácticas pueden ser planetas

(con turbulencias atmosféricas), estrellas normales o pulsares (estrellas de

neutrones). Las radiofuentes extragalácticas pueden ser nubes de gas, galaxias,

galaxias en colisión, radio galaxias y cuásares.



Los cuásares son lejanísimos (hasta 9000 millones de años luz), lo que

se ha determinado por su desplazamiento hacia el rojo, que supone velocidades

radiales de fuga de hasta 40 000 km/s.

El término CUASAR (QUASAR) es una abreviatura de CUASi estelAR

(QUASi-stellAR).

Dada su situación en los márgenes del universo, han de radiar con

potencia tan inimaginable, que, hasta hace poco, ha habido sectores científicos

que rechazaban la existencia de estos cuerpos por ser teóricamente imposibles.

Fueron descubiertos en 1963 observando su radioemisión en longitudes

de onda decimétrica y centimétrica. Para la VLBI, la técnica se practica con al

menos dos radiotelescopios que pueden ser, desde el fijo de 300 m de diámetro

de Arecibo, hasta el portátil de 4 m de JPL (Jet Propulsion Laboratory), aunque

normalmente las observaciones se hacen con los radiotelescopios estacionarios

orientables corrientes, con diámetros del orden de 50 a 100 m.

Figura 9: Radiotelescopio VLBI

Los dos o más radiotelescopios se orientan hacia un cuásar concreto. La

señal recibida es referida a un patrón atómico local y registrado digitalmente en

soporte magnético. Ambos registros se envían a un centro en el que se



correlacionan, pudiendo determinarse en cada momento el retardo entre la

llegada del frente plano de la señal a un radiotelescopio y la llegada al otro. Este

retardo permite establecer la componente del vector que une ambas estaciones,

en la dirección de llegada de la señal.

Se hacen múltiples determinaciones a diferentes- cuásares.

La técnica VLBI arranca en 1977 cuando el Servicio Nacional de Geode-

sia de EE.UU., tras los trabajos del Instituto de Tecnología de Massachussets y

del Centro Goddard para Vuelos Espaciales, estableció tres observatorios para

medidas exclusivamente geodésicas.

Desde 1984 la técnica se ha desarrollado y expandido, habiendo en la

actualidad radiotelescopios dedicados a esta técnica en todo el mundo.

Figura 10: Los puntos rojos en el planisferio, muestran la posición de algunas

Antenas VLBI, que toman parte en mediciones geodésicas VLBI.

La VLBI tiene otra posibilidad de trabajo: la radio interferometría entre

elementos conectados CERI (Connected Element Radio Interferometry), que es

idéntica a la original VLBI, salvo que en vez de referir las señales recibidas a

sendos osciladores atómicos locales, que tras su correlación posterior permiten



acceder a una escala de tiempos común, se conectan ambos receptores,

trabajando en una base común de tiempos.

Se han hecho trabajos en EE.UU. y Gran Bretaña entre radiotelescopios

interconectados por microondas, con separaciones entre 2,9 y 35 Km.

Estas técnicas permiten el establecimiento de una red mundial, increíble-

mente precisa, que actualmente constituye un marco de referencia absoluto.

Entre sus aplicaciones geofísicas cabe citar el control de derivas

continentales a nivel centimétrico. Con casi igual precisión puede establecer el

movimiento del polo, y la duración del día se establece con precisión de

fracciones de milisegundo.

Figura 11: Estudios sobre medición de movimientos tectónicos realizados

con la tecnología VLBI. (Deriva de los Continentes).

La técnica es tremendamente compleja: se sufren corrimientos Doppler

en la recepción de las señales, y hay que corregir por aberración diurna,

presesión, nutación, diferencias sistemáticas en los patrones de frecuencia y por

retardo troposférico e ionosférico. Mientras tanto, al rotar la base interferométrica

en el espacio, la componente que se determina en la dirección de la radiofuente

observada es variable en orientación en función del tiempo.

El efecto del retardo ionosférico se controla usando las mencionadas dos

frecuencias en la banda S y la X.

También han de considerarse factores como la curvatura gravitacional del

espacio solar y otros efectos relativistas, o la flexión y deformación por gravedad y



temperatura de cada antena receptora, que cambia de situación el centro

radioeléctrico al que se refieren las observaciones, así como la posible

geodinámica local, no necesariamente óptima, ya que la ubicación de los

radiotelescopios se establece principalmente con criterios de apantallamiento

natural de perturbaciones radioeléctricas, preferentemente en zonas hondas

rodeadas de alturas que formen como un circo.

1.8. SISTEMA TRANSIT

Una constelación de satélites artificiales puesta en órbita con la finalidad

especifica de geoposicionamiento por ondas electromagnéticas emitidas por

satélites, fue el sistema NNSS / TRANSIT (Navy Navigation Satellite System) que

utilizó los satélites norteamericanos de la constelación TRANSIT (1960, operativo

desde 1964).

Este sistema nació con un diseño de la Universidad John Hapkins para la

U.S. Navy estadounidense en 1958, para ayuda de navegación a navíos, y sobre

todo, para poder ser utilizados por submarinos atómicos lanzadores de misiles.

Para hacer un lanzamiento con éxito es esencial que el submarino lanzador

conozca su posición exactamente

También fue ampliamente utilizado para aplicaciones geodésicas en el

mundo entero. Estaba compuesto por 8 satélites activos con un peso de sólo 61

Kg. en órbitas polares elípticas (casi circulares), con una altitud media de 1100

Km. con un Período orbital de 107 minutos.

Este sistema fue el predecesor inmediato del GPS. De hecho se mantuvo

activo hasta mediados de 1993.

El sistema funciona midiendo el desplazamiento o corrimiento Doppler

(Doppler shift) que es la variación aparente en el valor de la frecuencia en función

de la velocidad de acercamiento o alejamiento de la fuente emisora.

El efecto Doppler-Fizeau fue descubierto en el siglo XIX. Cuando la

fuente emisora de un tren de ondas, sean ópticas, acústicas o radioeléctricas,

disminuye su distancia a un observador, la frecuencia recibida es aparentemente

mayor que la real. Si la fuente se aleja, la frecuencia es menor, y si la distancia

permanece constante, la frecuencia coincide.

En este sistema los satélites siguen una órbita baja y transmiten

continuamente una misma frecuencia. Debido al movimiento orbital, desde tierra



se perciben unos desplazamientos Doppler de la señal. Conociendo las

coordenadas y esas desviaciones de frecuencia se puede conocer la posición del

observador

El Bloque Soviético tiene un sistema equivalente llamado TSICADA.

El sistema, como un todo poseía dos grandes problemas:

• No proporcionaba una cobertura mundial total

• Había un lapso de tiempo considerable entre las pasadas sucesivas de

los satélites para un mismo punto en la Tierra.

De hecho, para obtener una posición precisa, se necesitaban de dos a

tres días estacionados en un mismo punto, para obtener las coordenadas de ese

Punto con un desvío padrón de 10 a 3 metros para posiciones asoladas y de

cerca de 1 metro, usando técnica de translocación.

Como dijimos el inconveniente principal es que la medida es lenta y hay

que esperar a que el satélite pase por encima del área en la que se está (hasta

unos 30 minutos). No es válida para vehículos móviles como aviones, misiles, etc.

Es remarcable que el sistema Doppler permitió, tras casi 100 años de

lentos progresos en la Geodesia, una nueva y más precisa determinación de la

forma de la Tierra.

Actualmente, destacan el sistema europeo de satélites de navegación

Marecs (1981), destinado a mejorar las comunicaciones e incrementar la

seguridad de la navegación marítima.



CAPÍTULO II

CONSTITUCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA GPS

2.1. INTRODUCCIÓN

En 1963 la Fuerza Aérea de los EE.UU. inició un ambicioso proyecto

conocido por "Proyecto 621B" para desarrollar un sistema de navegación

tridimensional basado en satélites artificiales.

Poco después la Marina de los EE.UU. emprendió otro proyecto similar

conocido como "Timation". Ambos proyectos convergieron finalmente en el

sistema NAVSTAR-GPS, el 17 de Agosto de 1974.

El objetivo inicial era la consecución de un sistema exclusivamente militar,

pero el excesivo coste obligó a que se permitiera el uso civil del sistema para que

fuera aprobado el presupuesto por el Congreso de los EE.UU. (El coste final del

proyecto ascendió a unos 10.000 millones de dólares).

El Sistema NAVSTAR / GPS fue desarrollado para sustituir el sistema

TRANSIT.

Esta sustitución tenia que ser realizada para posibilitar la corrección de

los dos grandes problemas del NNSS, ofreciendo en cualquier punto de la tierra y

a cualquier hora del día, respuestas para tres preguntas básicas:

a) ¿Cuál es la posición?

b) ¿En que tiempo se está trabajando?

c) ¿Cuál es su dirección y velocidad?

Las respuestas precisas, en tiempo real, debían ser decodificadas por

receptores para aplicaciones militares.

En 1973 el JPO ("Joint Program Office") subordinado al Comando de la

División de Sistemas Espaciales de la USAF ("United States Air Force) recibió la

misión del DoD ("Department of Defense") de establecer, desarrollar, testar,

adquirir y emplear un sistema de posicionamiento espacial para aplicaciones

militares, capaz de generar una red de coordenadas para misiles, tomando en

cuenta el proyecto de "Guerra de las Galaxias".



El sistema de posicionamiento global NAVSTAR / GPS (Navigation

System Using Timing and Ranging / Global Positioning System) es el proyecto

espacial más caro de la historia de la humanidad y fue desarrollado por el

Departamento de Defensa de los EE.UU. Su finalidad era meramente militar, y

perseguía dotar a las tropas y dispositivos militares de una referencia espacial y

temporal precisa. Se trata de un sistema de posicionamiento perfecto que ofrece

servicio en toda la superficie del planeta y durante 24 horas al día.

La serie se inició con el lanzamiento un sólo satélite, el 22 de febrero de

1978. En 1986 se dio luz verde al desarrollo completo del sistema y aunque en

1991 el sistema NAVSTAR-GPS aún no estaba operativo al 100% demostró su

potencialidad en la Guerra del Golfo Pérsico que constituyó un campo de pruebas

inmejorable. El enorme éxito que obtuvo el sistema en aquel conflicto (el mundo

entero se sorprendió de la precisión con que se dirigían los misiles a sus

objetivos) aceleró el desarrollo final del proyecto.

2.1.1 Definición GPS: Global Positioning System, sistema de posicionamiento con

satélites, que desde sus orígenes en 1973 ha supuesto una revolución frente a

las técnicas utilizadas en Geodesia Clásica. Mediante el tratamiento de los

observables GPS, que consisten en medidas de fase, tiempo y pseudodistancias,

se puede conocer la posición en post-proceso de la antena del receptor, que

vendrán dadas en el sistema de referencia WGS 84, por lo que habrá que realizar

una transformación de este sistema al sistema de referencia local que se precise

2.2. SERVICIOS OFRECIDOS POR EL SISTEMA GPS

Las características del sistema GPS se pueden agrupar en unos pocos

puntos:

• Determinación de la posición tridimensional. Con tres coordenadas:

latitud, longitud, altura sobre el nivel del mar, o cualesquiera.

• Determinación tridimensional de la velocidad.

• Determinación del tiempo exacto con un error de un microsegundo.

• Cobertura global las 24 horas del día.

• Alta fiabilidad.

• Independencia de transmisores terrestres.



• Gran precisión en todo tipo de condiciones atmosféricas.

• Evaluación de la precisión conseguida.

• Versátil y válido para todo tipo de usuarios.

El sistema GPS es capaz de precisiones asombrosas: en teoría se podría

conocer la situación con un error de 3 cm. mediante técnicas de enganche en

fase. Para vehículos estas técnicas son complejas de conseguir, por lo que se

usa el método "estándar" de enganche al código transmitido; de esta manera se

podrían conseguir precisiones de 3 metros.

La generalización del acceso a esta precisión supone un compromiso

para la seguridad nacional, por lo que se procedió a modificar el sistema en varios

aspectos.

Para adaptar el sistema GPS a los usuarios civiles se crearon dos tipos

de servicio:

SPS (Standard Positioning Service)

PPS (Precise Positioning Service)

La diferencia entre ambos es que el SPS permite 10 veces menor

precisión y fiabilidad que el PPS. Ésta limitación es inherente al sistema.

Figura 12: SPS orientado a uso civiles.



Figura 13: PPS orientado a usos militares.

Las primeras pruebas demostraron que el sistema era mejor de lo que se

diseñó en un principio, por lo que se decidió empeorar las características de

forma premeditada transmitiendo información falsa desde los satélites para

permitir una precisión en el servicio SPS de unos 100 metros el 90% del tiempo,

lo que es suficiente para navegación pero no para dirección de armas.

2.3. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA GPS

A continuación vamos a describir las generalidades del sistema GPS y

sus características más importantes. Para ello, debemos dividir el sistema en tres

sectores fundamentales y dependientes entre sí, el sector espacial, el sector de

control y el sector de usuarios.



Figura 14: Esquema de los Sectores constitutivos del Sistema GPS.

2.4. SECTOR ESPACIAL

En el sistema NAVSTAR-GPS, como es común en los sistemas de

satélites, se pueden distinguir varios "segmentos" que agrupan a los elementos

con características comunes.

Cada uno de los segmentos son claramente distintos y tienen

responsabilidades y objetivos distintos. El segmento más costoso es el segmento

espacial, mientras que el responsable de que todo se ajuste a lo planificado es el

segmento de control. Al final el segmento de usuario es el que recoge a los

"clientes" que son el objetivo final de todo el sistema. Son los que se benefician

de las estimaciones de posición para una gran multitud de aplicaciones.

Los satélites disponen de cuatro paneles solares y su masa en órbita es

de unos 1667 Kg. La energía eléctrica se obtiene de paneles solares (auxiliadas

por baterías recargables para los periodos de oscuridad) que proporcionan 600

W.



Los satélites del segundo bloque, lanzados tras 1992 tienen la posibilidad

de enlaces transversales entre ellos, permitiendo la intercomunicación entre

satélites.

Disponen de cohetes propulsores para corregir su posición orbital durante

su vida útil.

Cada satélite lleva relojes atómicos de Cesio y Rubidio, La sincronización

de los relojes y de las frecuencias del sistema GPS se realizan desde el

Segmento Terrestre del sistema.

Como dato curioso es que dada la extrema exactitud precisada, hay que

considerar los efectos relativistas provocados por la gran velocidad de los

satélites y por la diferente gravedad existente a 20169 Km. de la Tierra.

Relatividad Especial: Debido a la velocidad relativa entre los relojes de la

Tierra y los que están en los satélites, el reloj del satélite observado desde la

Tierra va más lento de lo previsto.

Relatividad General: El satélite está situado en un campo gravitatorio más

tenue que en la Tierra, por lo que su reloj irá levemente más rápido que en la

Tierra.

Ambos efectos se cancelan si la órbita tuviera un radio 1.5 veces el radio

terrestre, pero como es de casi 4 veces, los relojes de los satélites van más

rápido que los terrestres. Si no se corrigiera ese efecto habría desfases de 38

microsegundos cada día, lo que provocaría un error en la posición de 11 Km.

Actualmente, la puesta en servicio de cada satélite lanzado con los Delta

se hace en varias fases: La primera y segunda etapa del cohete, ambas de

propelente sólido, sitúan la tercera etapa y su carga útil (satélite) en una órbita

elíptica.



Figura 15: Cohete Delta utilizado para colocar en orbita a los satélites GPS.

Activando la tercera etapa se aumenta el apogeo de la órbita hasta el

valor final de 20 180 Km. de altitud,

Se desensambla y desecha entonces la tercera etapa, ya inútil, y se

activa el cohete de inserción que lleva el propio satélite, entrando en una órbita

casi definitiva, que finalmente se retoca con los cohetes de maniobra del satélite

hasta establecer la órbita de servicio. Allí es sometido a las necesarias pruebas y

manipulaciones por el centro de control. En un plazo de 30 a 45 días, el satélite

es activado, ya en la órbita y posición de servicio previstas, y se declara

operativo.

Existen otros satélites en órbitas de aparcamiento, desactivadas y

disponibles como reserva («spares»).



Cada órbita o plano orbital se identifica por una letra. Los planos orbitales

son: A, B, C, D, E y F; cada posición del satélite en la órbita se identifica por un

número. Las posibles posiciones de un satélite de servicio en una órbita son: 1, 2,

3 y 4.

Figura 16: Disposición esquemática de la configuración orbital de los

satélites GPS. 6 orbitas de 4 satélites cada una.

Evidentemente las combinaciones de los planos orbitales A, B, C, D, E y

F con las posiciones orbitales 1, 2, 3 y 4, nos ofrecen las 24 posibles ubicaciones

de cada uno de los satélites previstos.

2.4.1. Satélites

Los satélites de la constelación NAVSTAR son identificados de diversos

modos:

• Por su número NAVSTAR (SVN).

• Por su código de ruido seudo aleatorio (PRN). En los códigos que

transmiten que identifican a cada satélite de la constelación.

• Por su número orbital. Un ejemplo sería el satélite 3D, que corresponde al

satélite número tres del plano orbital D.



2.4.1.1. Satélites del bloque I: Pesan cerca de 845 Kg. y miden en tomo

de 5 metros con los paneles solares abiertos, fueron lanzados 11 satélites de este

bloque por los cohetes portadores ATLAS-F desde la base USAF de

VANDERBERG - CALIFORNIA, durante el periodo de 1978 a 1985. Con,

excepción de la falla de un "booster" en 1981, todos los otros entraron en

operación satisfactoriamente. Tenían paneles solares con 400 vatios de potencia.

De los 10 satélites operacionales que lo componían, 4 llevaban oscilador de

cuarzo, 3 con reloj atómico de rubidio y 3 con reloj atómico de cesio. Su vida

media fue de 5 años.

Hoy en día todos los satélites de este bloque ya fueron sustituidos.

Figura 17: Satélite GPS del Bloque I

2.4.1.2. Satélites del bloque II: Los 28 satélites de este bloque

Comenzaron a ser lanzados el 14 de febrero de 1989, desde el Centro Espacial

Kennedy en la Base de la USAF de Cabo cañaveral en La Florida - EUA. Tenían

un costo aproximado de USS 50.000.000 (cincuenta millones de dólares) Por

unidad. Cada satélite de este bloque, tiene un peso de más de 1500 Kg. Todos

incorporan osciladores atómicos.

Existe una importante diferencia entre los satélites de los bloques I y II.

Los satélites del Bloque II fueron construidos de un modo que permite la

degradación de la precisión obtenida por el Código de Acceso Libre (C/A) y la

limitación de acceso al código de Precisión (P). Este hecho, impuesto por el DoD



para la apertura del sistema a la comunidad internacional, alteró drásticamente el

mercado de receptores en todo el mundo, obligando a los científicos a desarrollar

técnicas de geoposicionamiento que posibiliten dar una solución a estas

restricciones.

Figura 18: Esquema de un Satélite GPS correspondiente al bloque II

El 26 de noviembre de 1990 se lanzó el décimo satélite del bloque II,

modelo mayor y más pesado (930 Kg.), que inauguraba una nueva serie, la II-A,

que incorpora mayor ayuda para la navegación, varias mejoras de producción y

una superior vida útil. También se inauguró un nuevo tipo de cohete más potente

para lanzarle: El Delta 2.

2.4.1.3. Satélites del bloque IIr: La denominación -R- se refiere a la

palabra "Replacement" o sustitución. Los satélites del bloque IIR están

planificados para ser un total de 32 unidades, comenzaron a ser lanzados a partir

de 1995 por los transbordadores espaciales. Cada vehículo transportaría en

principio, tres satélites reduciéndose así los costos operacionales de lanzamiento.

La gran novedad de estos satélites es la inclusión de un MASER a

hidrógeno ("Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation" -



análogo del láser en la región visible del espectro electromagnético), lo que

aumentará sensiblemente la precisión del reloj interno del satélite, permitiendo

incluso una mayor penetración de la señal en la vegetación.

Tienen una serie de antenas emisoras que funcionan en la banda L del

espectro, que son las encargadas de enviar a la superficie terrestre las señales

que recibiremos. También tienen otra antena emisora receptora, operando en la

banda S, para intercambiar información con el centro de control en tierra.

Figura 19: Esquema de la Antena de un satélite GPS

La vida útil de un satélite llega a término por envejecimiento o avería de

los paneles solares, falta de capacidad de los acumuladores, averías no

conmutables en los sistemas electrónicos, o agotamiento del combustible de

maniobra y recuperación de órbita.

Anteriormente, con motivo del primer conflicto del Golfo Pérsico, a finales

de 1987, la US Navy ya empleó el sistema GPS para navegar por un pasillo

seguro, previamente determinado, en una zona minada entre las costas de Irán y

la península de Arabia, en el estrecho de Ormuz, que comunica el golfo Pérsico

con el de Omán. Realmente hay que tener más fe en el sistema para usarlo en

aplicaciones como la descrita que para un apoyo fotogramétrico o la plácida

medición de una base geodésica, por ejemplo.

Todos los satélites GPS disponen de osciladores atómicos de cesio, salvo

algunos antiguos que lo tienen de rubidio. En el caso de los primeros la precisión

es de 10-13 s, mientras que en los de rubidio la precisión es de 10-12 s. La

frecuencia fundamental de emisión de estos osciladores es de 10,23 MHz.

Los relojes de los satélites del bloque 1 eran de menor fiabilidad que los

actualmente empleados. Algunos tenían osciladores de cuarzo. Actualmente se



usan dos o cuatro osciladores atómicos por satélite (que pueden ser de rubidio o

de cesio, uno de los cuales es seleccionado desde la Estación Maestra de Control

para dar servicio.

El funcionamiento de un reloj atómico se basa en la transición entre

niveles de energía de átomos concretos. La transición produce una oscilación de

frecuencia muy precisa que se usa para controlar por realimentación (feedback)

un oscilador piezoeléctrico de cuarzo, cuya frecuencia así estabilizada es la

realmente utilizada, siendo normal ajustarla en valores redondeados: 10 MHz, por

ejemplo.

El reloj u oscilador de servicio de un satélite GPS provee una frecuencia

fundamental de 10,23 MHz sobre la que se estructura todo el conjunto de la señal

radiodifundida por el satélite.

2.5. SECTOR DE CONTROL

Está constituido por cinco estaciones de control repartidas alrededor del

mundo y con coordenadas muy precisas. Todas ellas reciben continuamente las

señales GPS con receptores de 2 frecuencias y provistos de osciladores de cesio,

también se registran, de forma precisa, otra serie de parámetros como presión y

temperatura que afectan de manera muy importante a la propagación de la

información que se recibe de los satélites.

Las principales tareas de este Sistema de Control son: determinar de

forma precisa la órbita de cada satélite; determinar por medio de modelos

matemáticos la predicción de estas órbitas; sincronización permanente de los

sistemas de relojes de los satélites; transferencia de datos actualizados de

efemérides para cada "buffer” de los satélites; control de la degradación de la

señal (S/A y A/S); corrección del posicionamiento de los satélites por comandos

desde tierra; control de lanzamiento de nuevos satélites para, la manutención de

la constelación.

2.5.1. Estación maestra de control

En un inicio estaba situada en la Base de la Fuerza Aérea de los Estados

Unidos en VANDENBERG - CALIFORNIA, hoy en día le estación maestra se

localiza en la Base FALCON de la USAF en COLORADO SPRINGS -

COLORADO.



Esta estación, además de monitorear los satélites que pasan por los EUA,

reúne los datos de las estaciones de monitoreo y campo, procesando y

generando los datos que efectivamente son transmitidos a los satélites.

Figura 20: Estación Maestra de Control

Todos estos datos se trasmiten a la estación principal situada en

Colorado Spring (USA) en donde se procesa la información, obteniendo de esta

manera todas las posiciones de los satélites en sus órbitas (sus efemérides) y los

estados de los relojes que llevan cada uno de ellos para que con posterioridad los

mismos satélites radiodifundan dicha información a los usuarios potenciales.

2.5.2. Estaciones de monitoreo

Existen cinco estaciones de monitoreo Incluyendo la estación maestra:

HAWAI -Pacífico oriental

COLORADO SPRINGS

ISLA DE LA Ascensión, en el Atlántico Sur

DIEGO GARCÍA, en el Océano Índico

KWAJALEIN, en el Océano Pacifico occidental



Figura 21: ubicación de las estaciones de monitoreo para el sistema GPS.

Estas estaciones, dotadas de receptores precisos, rastrean

continuamente los satélites NAVSTAR calculando sus posiciones cada 1,5

segundos. A través de datos meteorológicos e ionosféricos, son modelados los

errores de refracción y calculadas sus correcciones, que son entonces

transmitidas a los satélite " y de allí a los receptores en todo el mundo.

Todos los datos computados en estas estaciones son transmitidos a la

estación maestra, a intervalos de 15 minutos durante todo el día.

Además de las estaciones oficiales, existen otras estaciones de carácter

privado corno la CIGNET "Cooperative International GPS Network"), que con la

internacionalización del Sistema GPS, conectan sus datos a la red oficial con la

internacional red de datos norteamericana.

2.5.3. Estaciones de campo

Estas estaciones consisten en una red de antenas de rastreamlento de

satélites NAVSTAR.

Esta red, tiene la finalidad principal de ajustar los horarios de cobertura de

los satélites, controlar los errores de los relojes atómicos, permitir el cálculo de las

correcciones de los mismos y sincronizar la marcación del tiempo de la Estación

Maestra.



Figura 22: Estación de Campo

Estas estaciones de seguimiento (láser, radar y ópticas), tienen como

objetivo especifico la obtención de efemérides que no estén afectadas por la

disponibilidad selectiva, denominadas precisas, y que están al alcance del usuario

a través de organismos científicos como el IGS (International Geodinamic

Service) o el NGS (National Geodetic Survey). Con ellas, tenemos la seguridad de

posicionarnos en el sistema WGS84 con los errores típicos del sistema.

La precisión nominal de estas efemérides prevista, permite la

determinación de la posición de un satélite con error menor de 1 m en sentido

radial, 7 m a lo largo de la trayectoria y 3 m transversalmente.

La precisión final alcanzable depende de la exactitud de las efemérides.

Es posible usar efemérides calculadas a posteriori, llamadas efemérides

precisas, obtenidas por observación de los satélites desde puntos de situación

muy exactamente conocida, usualmente puntos con coordenadas obtenidas por

sistemas VLBI o SLR.

2.6. SECTOR DE USUARIOS

El segmento de usuario consiste en los aparatos receptores sobre la

Tierra, así como por el software necesario para la comunicación del receptor con

el ordenador y el post-procesado de la información para la obtención de los

resultados.

El equipo de usuario es un dispositivo pasivo en el sentido de que sólo

recibe información de los satélites, cuya misión es obtener la señal de los



satélites, la demodulan y extraen la información de efemérides de los satélites, de

correcciones, etc. y presentan la información al usuario final.

El sistema GPS permite que la localización de cada usuario la conozca

solamente el usuario debido a que no se emite ningún tipo de señal, con lo que la

privacidad del servicio se garantiza.

En el equipo se suelen incluir accesorios y pequeño material auxiliar,

como acoplamientos de estacionamiento, trípode, placa de estacionamiento

sobre pilar, cables especiales, cinta métrica, barómetro y sicrómetro (para control

meteorológico), etc., así como patrones exteriores de frecuencia y otros

elementos, en aplicaciones especiales.

Los equipos están en continuo desarrollo y su evolución es comparable a

la experimentada en informática durante las dos últimas décadas para los

ordenadores personales, aunque probablemente más dinámica.

2.7. EQUIPO DE OBSERVACIÓN.

Lo componen la antena, el sensor y la unidad de control o controlador.

2.7.1. Antena

Es el elemento al cual viene siempre referido nuestro posicionamiento,

está conectada a través de un preamplificador al receptor, directamente o

mediante cable. La misión de la antena es la de convertir la energía

electromagnética que recibe en corriente eléctrica que a su vez pasa al receptor.

El receptor consta de una serie de elementos que se encargan de la

recepción de las radiofrecuencias enviadas por los satélites. Además suelen

poseer diferentes canales para seguir simultáneamente a varios satélites, un

procesador interno con su correspondiente soporte lógico, una unidad de

memoria para el almacenamiento de la información, teclado de control, pantalla

de comunicación con el usuario, diferentes conectores para funciones varias y

una fuente de alimentación interna o externa.

La función de una antena es convertir una corriente eléctrica en una

radiación electromagnética y viceversa. La antena (emisora) de los satélites hace

lo primero y la de nuestros instrumentos (receptora) lo segundo.



La corriente eléctrica inducida en nuestra antena por las señales radiadas

recibidas, posee toda la información modulada sobre ellas. Hay diversos tipos de

antenas: dipolo, dipolo curvado, cónico-espiral, helicoidal, plana, etc.

El punto que realmente se posiciona es el centro radioeléctrico de la

antena, que no suele coincidir con el mecánico o físico, generando un error

residual por excentricidad que puede valer unos milímetros y es denominado en

textos ingleses como antenna phase center ambiguity.

Casi todos los fabricantes recomiendan una orientación aproximada

común para las antenas en caso de posicionamiento preciso relativo. Se trata de

evitar este error, normalmente despreciable, pero que no hay por qué asumir,

dada su fácil compensación; para ello el fabricante monta en el interior de todas

las carcasas el elemento físico receptor en la misma posición respecto a alguna

referencia exterior del conjunto.

Todas las antenas suelen llevar un plano de tierra que evite la recepción

de señales reflejadas en el suelo u objetos cercanos que empeoran la precisión

de observación

Cada tipo comercializado de antena tiene sus características,

frecuentemente adaptadas a aplicaciones concretas que el fabricante especifica.

Figura 23: Equipo GPS, Antena + sensor



2.7.2. Sensor

Recibe los impulsos de la antena receptora, y reconstruye e interpreta los

componentes de la señal, es decir, las portadoras, los códigos y el mensaje de

navegación. En definitiva, lo que hace es demodular la señal original.

El proceso es el siguiente, el sensor correlaciona los códigos, es decir, lo

compara con una réplica que él mismo genera, y de este modo halla el tiempo

que ha tardado en llegar la señal al receptor, obteniendo la distancia al satélite

multiplicando esa diferencia de tiempos por el valor de la velocidad de

propagación de las ondas en el vacío (aproximadamente unos 300.000 Km. /s).

como estas distancias están afectadas de errores, se las denomina seudo

distancias.

El sensor tiene unos canales de recepción, de doble señal si es un

receptor bifrecuencia y de señal única si es monofrecuencia. Cada canal recibe

las señales de un satélite diferente, y dependiendo del número de canales

obtendremos mayor o menor información en un momento dado. Los receptores

disponen de un reloj u oscilador que sincroniza los tiempos de recepción. Estos

relojes suelen ser de cuarzo con una alta estabilidad, dando precisiones de 10 -7

s. Con ellos se obtiene el desfase respecto al tiempo GPS. Este aspecto es el

que supone el añadir una incógnita en el cálculo posterior, que no es otra que el

estado del reloj en cada época de grabación.

Es muy frecuente encontrar equipos de observación en los cuales el

sensor y la antena forman un elemento único, lo que facilita el paso de

información y agiliza el proceso, evitando los retardos que se producen en la

transmisión por cable.

2.7.3. El Controlador:

Realiza las siguientes tareas:

* Controlar el sensor.

* Gestionar la observación.

* Almacenar los datos.

El buen manejo del controlador es fundamental en los procesos de

observación, así como el conocimiento y aplicación de los parámetros adecuados

en cada situación o necesidad.



Figura 24: Equipo GPS, a antena, b sensor, c controlador, d equipo de radio

Los datos suelen ser grabados en unidades independientes de memoria o

tarjetas RAM PCMCIA, que varían desde los 512 Kbytes a los 4 Mbytes de

capacidad. También pueden ser almacenados directamente en un PC portátil

conectado al receptor.

Es muy importante controlar la capacidad de grabación de datos y el

tiempo de observación marcado.

Tras la observación se obtienen los siguientes datos:

* Mensaje de navegación.

* Efemérides radiodifundidas por los satélites.

* Almanaque de estado de los satélites.

* Fichero de observación.

Estos datos pueden ser volcados en un ordenador para ser tratados con

un software de post-proceso, o bien tratados “in situ” por el mismo controlador si

éste dispone de un software de proceso y así obtener los resultados en tiempo

real.



El usuario debe saber que los datos citados anteriormente pueden ser

transformados a un formato estándar independiente en modo ASCII para

insertarlos y ser tratados por cualquier software de proceso de datos GPS. Este

formato es el denominado RINEX, que en la actualidad ya figura como RINEX-2,

con la posibilidad de incluir observaciones realizadas a través de la constelación

GLONASS.

2.8. CLASIFICACIÓN DE LOS RECEPTORES GPS

2.8.1. Por el número de canales:

1) Monocanales - Poseen un único canal que se mueve de un satélite

para otro. Poseen menos circuitos y son más baratos. Sin embargo son mas

lentos en la actualización de las coordenadas, mas imprecisos y susceptibles a la

interrupción del rastreamiento. ("cycle slip").

1) Multicanales (físicos o lógicos) - Con el aumento del número de

canales, la capacidad de rastrear varios satélites de forma simultánea aumenta,

lo que mejora la precisión y torna el receptor menos susceptible a "cycle slips".

2.8.2. Por el tipo de canal:

Secuenciales - En los receptores de canales secuenciales cada canal

rastrea un único satélite por vez, saltando para el próximo tan pronto tenga

almacenado datos suficientes par el cálculo de la posición.

Multiplexados - Son análogos a los secuenciales, con la diferencia que

son capaces de moverse de un satélite para otro con mucha rapidez. Exigen

circuitos mas complejos y consecuentemente son mas precisos y mas caros.

2.8.3. Por el tipo de señal observado:

1Receptores de seudo-distancia por el código C/A:

Estos receptores, generalmente leves y portátiles necesitan poca energía

para su funcionamiento y hacen uso solamente del SPS. Son usados

normalmente para la navegación (aérea, marítima y terrestre), posicionamiento

grosero y DGPS cuando están adaptados para ello. Trabajando en el modo



DGPS pueden ejecutar la digitalización de superficies reales con precisiones en

movimiento de1 a 10 metros, en dependencia de la geometría de los satélites.

2. Receptores del código. C/A y Portadoras L1 y L2:

Son receptores geodésicos que exigen post-procesamiento para el

cálculo de coordenadas, precisas. Son utilizados siempre en pares para la

determinación de "líneas de base".

(Obs.: "Líneas de Base" son los vectores AX, AY, AZ entre las estaciones

donde se localizan los receptores GPS). Poseen relojes internos de alta precisión,

motivo por el cual garantizan precisiones de orden centimétrico en la

determinación de la posición. Determinan velocidades muy precisas. Son mas

robustos que los receptores de seudo-distancia, y poseen puertos RS-232 para la

conexión con microcomputadoras. Son muy caros y exigen personal habilitado

para su operación. Constituyen excelentes equipos para la digitalización de

superficies reales con alta precisión (2 a 20 cm.).

3 Receptores de seudo-distancia por el código. :

Construidos específicamente para aplicaciones militares, normalmente

estos receptores atienden todas las especificaciones en este sentido. Para su

funcionamiento exigen que se coloque un AOC ("Auxiliary Output Chip") para la

decodificación del código Y, cuando el dispositivo antifraude ("Anti-Spoofing")

esta activado. Su comercialización es restringida a los países autorizados por

DoD ("Department of Defense") de los Estados Unidos.

Receptores de seudo - distancias C/A y P (Y) portadoras L1 y L2:

Son los receptores mas completos y mas caros disponibles

comercialmente, utilizados para determinar las coordenadas de líneas de base

superiores a 100 Km., pueden alcanzar hasta cerca de 1.500 Km. Son apropiados

Para el control de vuelos fotogramétricos y su precisión es sub-centimétrica.

Exigen software muy complejos son utilizados para la reformulación de

redes planimétricas de primer orden e investigaciones del Geoidal. También se

emplean para apoyar la mapificación sistemática de países. Pueden ejecutar

digitalizaciones de la superficie real, sin embargo la relación costo / beneficio

tiene que ser optimada para, esos casos.

A pesar de que este tipo de receptor posee un dispositivo de

almacenamiento del código P en ambas frecuencias portadoras, el mismo solo es

utilizado por el método de cuadratura de la señal (literalmente elevando la señal



al cuadrado) para determinar de forma muy precisa la posición, aunque en la

forma post-procesada. Funcionan en pares y son excesivamente caros.

2.8.4. Por el método de geoposicionamiento

1- Absoluto: Receptores del Código C/A, leves y portátiles que hacen uso

del SPS, o sea, utilizan el Código C/A para la medición de la distancia satélite

receptor. Poseen funciones básicas de navegación y registro de puntos por

medias. Su precisión obedece las reglas del SPS.

2 - Diferenciales: Receptores absolutos con la capacidad de almacenar

los datos de la posición en archivos de computadoras para correcciones

diferenciales. Pueden poseer un dispositivo de conexión vía radio utilizando el

protocolo RTCM SC-104, lo que permitiría precisiones de 5 a 2 metros en tiempo

real. Funcionan en pares, estando un receptor fijo, estacionado en un punto de

coordenadas de referencia y otro móvil, determinando posiciones o digitalizando

elementos en el terreno, como perímetros, líneas abiertas o áreas cerradas.

3 Relativos o Interferométricos: Receptores que almacenan datos de las

frecuencias portadoras L1 o L2 y códigos C/A y P. Pueden ser conectados vía

radio, a través de una técnica Llamada RTK ("Real Time Kinematic") con un

protocolo análogo al RTCM SC-104. Destinados a aplicaciones geodésicas,

utilizan la fase de las portadoras L1 L2 para determinar distancias. Utilizan

software complejo y brindan precisiones centimétricas o subcentimétricas. Se

prestan para levantamiento, cinemáticos de alta precisión, como vuelos

fotogramétricos y o digitalización de superficie real.

2.8.5. Otras clasificaciones

Algunas están en función de sus características en:

- Navegación. Reciben únicamente observables de código (tiempos). Son

los instrumentos menos precisos, aunque su evolución está siendo espectacular.

Sus aplicaciones más comunes son la navegación, catastro, GIS y

levantamientos de escalas menores de 1/ 5000 en los más sofisticados.

- Monofrecuencia. Reciben las observables de código y fase de la

portadora L1. La precisión de estos instrumentos ya es significativa, y son de

aplicación topográfica y geodésica en pequeñas distancias (hasta 100 Km.).



- Bifrecuencia. Reciben las observables de código y fase de las

portadoras L1 y L2. La precisión y el rendimiento son mucho mayores debido a la

posibilidad de combinar los datos y formar en post-proceso combinaciones de

observables que agilizan el cálculo y eliminan los errores de retardo atmosférico.

Están indicados para trabajos de precisión y allí donde el rendimiento y

los buenos resultados requeridos sean máximos.

Finalmente es posible hacer una clasificación de acuerdo a la. comunidad

de usuarios:

- Receptores de uso militar - receptores de uso civil

- Receptores de navegación

- Receptores de determinación de tiempo - receptores geodésicos.

2.9. ESTRUCTURA DE LA SEÑAL

Cada satélite va provisto de un reloj-oscilador que provee una frecuencia

fundamental de 10,23 MHz, sobre la que se estructura todo el conjunto de la

señal radiodifundida por el satélite.

El satélite emite información sobre dos portadoras, la primera es el

resultado de multiplicar la fundamental por 154 (1575.42 MHz) y se denomina L1.

La segunda, utiliza un factor de 120 (1227.60 MHz) y se denomina L2.

El término "L" viene determinado porque los valores usados están en la

banda L de radiofrecuencias que abarca desde 1 GHz a 2 GHz (1000 a 2000

MHz). El poder utilizar las 2 frecuencias permite determinar por comparación de

sus retardos diferentes, el retardo ionosférico, difícilmente predecible por otros

sistemas.

Sobre estas dos portadoras se envía una información modulada

compuesta por dos códigos y un mensaje, generados también a partir de la

frecuencia fundamental correspondiente.



Figura 25: Estructura y tipo de las señales emitidas por los satélites GPS

El primer código denominado C/A (course /adquisition) o S (standard),

Código de Acceso Libre o Civil, es una moduladora con la frecuencia fundamental

dividida por 10 o sea de 1,023 MHz Es repetido cada 0,001s aproximadamente y

es único para cada satélite, o sea cada número PRN posee un código propio. El

código C/A es modulado solamente en la frecuencia L1. Este código provee la

base de cálculo de la seudo-distancia para el SPS ("Standard Positioning

Service") y es el mas afectado por la interferencia del S/A ("Selective Avaibility"),

error del oscilador, introducido por el DoD.

El segundo código llamado P (precise) modula directamente con la

frecuencia fundamental de 10,23 MHz, posee una repetitividad de 266.4 días

dividido en 38 semanas GPS y cada segmento es dedicado a un determinado

satélite que pasa a repetir , a cada semana GPS, la parte del código P, a el

asignado. Este código permite el posicionamiento a través del PPS ("Precise

Positioning Service"), con una precisión en Tiempo real superior al SPS (mejor

que 10 metros). Sin embargo es de uso militar y cuando esta encriptado se

transforma en código “Y”, Solamente entidades autorizadas consiguen

descodificarlo.

Y por último el mensaje ("Navigate Message Code"), se envía modulando

en la baja frecuencia de 50 Hz.



Es también conocido como Código de Efemérides, navegación y

Correcciones o código D.

El mensaje viene modulado sobre ambas portadoras tiene una duración

de 12 m. y 30 s. debido principalmente a su longitud y su baja velocidad de

transmisión. La información que contiene viene referida a:

* Precisión y estado del satélite (salud, en terminología GPS), ya que

los satélites pueden encontrarse "sanos" o "enfermos" (inoperantes).

*Antigüedad de la información y de las efemérides radiodifundidas.

Almanaque y el estado de los relojes

*Un modelo ionosférico, para el cálculo de los retardos

Información UTC (tiempo-hora universal)

*Dos claves: - TLM, de telemetría, por si la órbita del satélite sufre

alguna manipulación desde tierra.

HOW, que da acceso, para los usuarios autorizados, al código P.

Al conectar un receptor, el código D es el primero a ser interpretado,

generando internamente en el receptor el almanaque de efemérides de los

satélites, permitiendo al rastreador realizar la búsqueda de todos los satélites

disponibles para la posición geográfica donde se encuentra el equipamiento.

Los códigos sirven fundamentalmente para posicionamiento absoluto y

son usados principalmente en navegación. El C/A ofrece precisiones nominales

decamétricas y se usa en el posicionamiento estándar SPS (Standard Positioning

Service). El P ofrece precisiones nominales métricas y se usa en el

posicionamiento preciso PPS (Precise Positioning Service).

El mensaje aporta toda la información necesaria para los usuarios del

sistema.

Los códigos consisten en una secuencia de dígitos binarios o bits (ceros y

unos). La modulación de las portadoras con éstos códigos general un ruido

electrónico que, en principio, no sigue ninguna ley y parece aleatorio, pero en

realidad sus secuencias están establecidas mediante unos desarrollos

polinómicos, este fenómeno se conoce con el término ruido seudo-aleatorio

(Pseudo Random Noise, PRN), y tiene la característica de que puede

correlacionarse con una réplica generada por otro instrumento.



Cada uno de éstos códigos posee una configuración particular para cada

uno de los satélites y constituye el denominado PRN característico, con el que se

identifica a los satélites en el sistema GPS

Sobre la L1 se suelen modular los dos códigos vistos, el C/A y el P

además del mensaje correspondiente. En la L2 sólo se modula el mensaje y el

código P.

2.10. DEGRADACIÓN DE LA PRECISIÓN

Cuando en 1973 nació el proyecto que culminó en el GPS, los

organismos responsables pensaban que el posicionamiento preciso (PPS)

ofrecería inéditas precisiones de 10 ó 20 m en tiempo real. Fue una verdadera

sorpresa, desagradable para los diseñadores, descubrir que la precisión esperada

en el PPS se alcanzaba fácilmente con el posicionamiento estándar (SPS),

destinado a los usuarios civiles, con receptores sencillos y baratos; el

posicionamiento preciso PPS resultó ser casi un orden de magnitud mejor de lo

esperado.

Pero no querían que usuarios no autorizados dispusieran de un sistema

de posicionamiento con precisiones mejores de 100 m, por lo que tomaron la

decisión de degradar la precisión obtenible con el SPS. Esta degradación se

denominó Selective Availability policy o más genéricamente SA, traducible como

disponibilidad selectiva.

La SA se activó por primera vez el 25 de marzo de 1990.

Cuando se activa la SA, el sistema ofrece precisiones horizontales

absolutas de 100 m durante el 95 % del tiempo, y no peores de 300 m en el 99,9

% del 5 % remanente. Tengamos en cuenta que la SA se puede activar y

desactivar sin previo aviso.

Al día de hoy año 2002 la S/A esta desactivada y existe un compromiso

por parte del gobierno de EE.UU. de no volverla a utilizar, debido al desarrollo de

mejoras tecnológicas en los satélites, que directamente dejaran de transmitir

normalmente y activarán la SA al pasar por zonas conflictivas.



Figura 26: Desvíos en posición X, Y antes y después de desactivar la S/A

Existen básicamente dos métodos de degradación de la precisión,

introducidos por las señales transmitidas por los satélites e impuestos por el DoD:

• S/A (“Selective Availability" - Disponibilidad Selectiva)

• A/S ("Anti- Spoofing" - Antifraude)

2.10.1. S/A - Disponibilidad Selectiva

Los satélites del Bloque II fueron equipados con dispositivos que

posibilitan la variación de frecuencia del oscilador que genera el Código C/A.

Existen dos formas de hacer efectivo la S/A:

1) la primera es la variación directa de la frecuencia generadora del

Código C/A por el oscilador de a bordo, lo cual, causa una imprecisión en la

medida de la seudo-distancia, entre la antena del receptor y el satélite, y se refleja

en la precisión de la coordenada calculada por el receptor. Esta variación de

frecuencia causada por el oscilador, es seudo-aleatoria, de tal manera que, el

cómputo de medias disminuye, pero no elimina el error.

2) la segunda es la introducción en el "buffer" del satélite, de efemérides

erradas. De esta forma, el satélite Informa vía Código D, su posición con un error,

lo cual se refleja en la imprecisión de la coordenada calculada por el receptor.



Estos errores de la localización exacta del satélite también son seudo-aleatorios,

evitando que el, cálculo de la posición por medias disminuya la imprecisión sin

eliminarlos totalmente.

2.10.2. A/S – Antifraude

Es el encriptamiento del código de distancia precisa P, generando en

sustitución el Código Y (comúnmente se designa el Código P por P (Y)).

De esta manera los receptores del Código P, dejan de reconocer el

referido, código como una señal transmitida por el GPS. En esta situación el

transmisor interrumpe el cálculo de la posición o pasa a ofrecerla con resultados

absurdos.

El A/S, estando activos los receptores del código P, solamente podrá

continuar funcionando correctamente si es dotado de un AOC ("Auxiliary Output

Chip"), el cual alimentado con la clave de descriptografía, consigue interpretar el

Código Y.

Solamente personas autorizadas por el DoD poseen los AOC, así Como

las claves periódicas de descriptografía.

Es obvio que los usuarios autorizados (fundamentalmente fuerzas milita-

res estadounidenses y amigas) disponen del adecuado contra proceso

(decrypting key) para recuperar la precisión original, eludiendo así la SA en

posicionamiento absoluto, estándar o preciso.

Para el resto de los usuarios la precisión obtenible en el posicionamiento

absoluto usando el código CIA, o sea, el posicionamiento estándar SPS, pasa de

los entre 20 a 40 m obtenibles en condiciones normales, a 100 m o más con la

SA activada.

El posicionamiento relativo o diferencial, por su propio fundamento, no se

ve seriamente afectado. Una precisión absoluta de 25 m en una figura geodésica

trilaterada con lados de más de 20 000 Km. (distancias a los satélites) representa

aproximadamente 1 ppm.

2.11. SISTEMAS DE MEDIDA

El GPS es un sistema que permite hacer posicionamientos por medición o

variación de distancias, entre las antenas emisoras de los satélites y la receptora



del equipo. Existen dos posibilidades principales de funcionamiento, mediante

Pseudodistancias o por medidas de fase.

2.11.1. Pseudodistancia

El método de Pseudodistancias es propio de la técnica GPS. Se trata de

una auténtica trilateración tridimensional, que sitúa a la estación de observación,

en la intersección de las esferas con centro en el satélite y radio correspondiente

a la distancia entre las antenas de los satélites y el receptor, medida por este.

La pseudodistancia se podría definir como el desplazamiento temporal

necesario para correlar una réplica del código GPS, generado en el receptor, con

la señal procedente del satélite y multiplicado por la velocidad de la luz.

El satélite emite uno de los códigos, el receptor tiene en su memoria la

estructura de dicho código y genera una réplica exacta, modulando la señal

recibida con la réplica inversa del código.

NAVSTAR GPS es un sistema de medición de distancias de vía única, lo

cual significa que las señales son transmitidas solamente por satélite. La

observación fundamental, es el tiempo de propagación de señal entre la antena

del satélite y la antena receptora.

Se denomina distanciometría de vía única a la comparación entre la

lectura del reloj de la antena transmisora y la lectura del reloj de la antena del

receptor.

Figura 27: Señales GPS



Si ambos códigos están precisamente sincronizados, el código

desaparecerá dejando a la portadora limpia. Para sincronizar la réplica con el

original recibido, el instrumento empieza a aplicar un retardo hasta que la

anulación se produce. El tiempo del retardo nos permite calcular una distancia

que no será precisamente la existente, ya que no conocemos el estado del reloj

del receptor.

Por lo general no se puede asumir que los dos relojes se hallen

exactamente sincronizados. El tiempo de propagación de señal observado incluye

por lo tanto un error sistemático de sincronización (Bias de tiempo). Distancias

con este error sistemático (bias) se llaman también seudo distancias

(pseudoranges). Por lo consiguiente, se puede considerar como principio

fundamental de observación del sistema GPS, la determinación de seudo

distancias.

La precisión de posicionamiento que nos ofrece este método es de

aproximadamente un 1% del periodo entre sucesivas épocas de un código. Así

para el código P, cuyas épocas son de 0,1 microsegundo (por lo que la precisión

de medida será de 1 nanosegundo), al multiplicar dicho factor por la velocidad de

la luz, obtendremos una precisión de distancia de 30 cm. en tiempo real. Para el

código C/A, cuya precisión es diez veces menor a la del código P, obtendremos

unos errores de unos 3 m.

2.11.2. Medidas de fase.

El método de medidas de fase es el que permite obtener mayor precisión.

Su fundamento es el siguiente: partiendo de una frecuencia de referencia

obtenida del oscilador que controla el receptor, se compara con la portadora

demodulada que se ha conseguido tras la correlación, controlándose así, en fase,

la emisión radioeléctrica realizada desde el satélite con frecuencia y posición

conocidas. Cuando esta emisión llega a la antena, su recorrido corresponde a un

número entero de longitudes de onda (denominado N o ambigüedad) mas una

cierta parte de longitud de onda cuyo observable (o momento exacto de recepción

por parte de la antena) puede variar entre 0 y 360º . Tenemos pues, una

frecuencia y cierta parte de la longitud de onda conocidas, y la ambigüedad

(Número entero de las longitudes de onda) por conocer. La resolución de la

ambigüedad se realiza en base a un extenso proceso de cálculo, que además nos



resolverá el estado de los relojes y por supuesto los incrementos de coordenadas

entre estaciones. Una vez obtenidos dichos valores, la resolución interna que nos

proporcione el sistema, será de orden submilimétrico, aunque diversas fuentes de

error limiten la precisión operativa a centímetros, siempre en función de las

técnicas de observación empleadas.

Debe destacarse que es fundamental en el sistema no perder el

seguimiento de la fase para que la ambigüedad inicial no pueda variar. Si hay

alguna pérdida de recepción por cualquier causa, la cuenta de ciclos se rompe

(Cicle Slip), perdiendo este método toda su eficacia. Esta pérdida de ciclos puede

ocurrir por muchas causas desde el paso de un avión, disturbios ionosféricos, u

obstrucciones físicas importantes (edificios, etc.). Podremos comprender,

entonces, la dificultad de trabajar en zonas próximas a arbolados, tendidos

eléctricos, torres, edificios, etc., limitando las aplicaciones de éste método en

tiempo real.

2.12. MÉTODOS DE POSICIONAMIENTO

2.13. MÉTODO ABSOLUTO

Como fue señalado, el método de posicionamiento absoluto se obtiene a

partir de los códigos de pseudo-distancia ("Ranging Codes") C/A y P. Estos

códigos binarios son transmitidos por los satélites y también generados en el

receptor, para posteriormente ser comparados.

Como estos códigos son transmitidos por ondas electromagnéticas y

estas viajan aproximadamente a la velocidad de la luz (c), entonces es posible

medir la distancia (instantánea) entre el satélite y la antena del rastreador a partir

de la simple ecuación de movimiento: de esta manera, se puede medir fácilmente

la distancia entre los satélites rastreados y la antena del receptor, además se

presupone que exista sincronismo entre el reloj del satélite y el reloj del receptor.

2.14. MÉTODO DIFERENCIAL

El método de Posicionamiento Diferencial, es aquel en que las posiciones

absolutas obtenidas por un receptor móvil, son corregidas por un otro receptor

fijo, estacionado en un punto de coordenadas de referencia. En este proceso, son



eliminados casi totalmente los errores. Así las posiciones corregidas con un DOP

menor que 5 se sitúan en el rango de precisión de 5 a 0,5 metros.

Figura 28: Esquema de un sistema DGPS

Nótese que los dos receptores (referencia y móvil) deben rastrear los

mismos satélites, al mismo tiempo.

El método diferencial de posicionamiento GPS, posee las siguientes

variantes

2.14.1. DGPS en tiempo real

En esta variante las correcciones diferenciales son transmitidas al

receptor remoto por un enlace radial de datos, utilizando, el protocolo

RTCM-SC-104 ("Radio Technical Commission for Maritime Services Special

Conunittee No. 104") que especifica el modo de transmisión de datos GPS (por

"link" de radio) para estas correcciones.



a

b

Figura 29: Fotografías de un sistema DGPS, a Estación Base, b Receptor móvil

(también llamado Rover).

El receptor "rover", podrá entonces grabar sus datos en archivos en el

propio receptor, para su posterior descarga en CADs o GIS.

Este Proceso ofrece precisiones de 1 a 10 metros, en dependencia del

DOP.



2.14.2. DGPS Post-procesado

En esta variante no existe enlace de radio entre los receptores fijo y móvil.

La corrección diferencial se hace posteriormente con los datos descargados de

los receptores y procesados por un software propio. La gran ventaja de este

proceso en relación al anterior es que el usuario tiene un control total sobre los

puntos que están sufriendo corrección diferencial, a través de filtros como el

número DOP del "rover", desviación típica de las pseudo - distancias medidas por

el receptor remoto, intensidad de la señal de determinado satélite (evitando

ruidos). El usuario puede además eliminar uno u otro punto, o un grupo de

elementos Registrados, por no satisfacer la precisión del proyecto en que se esta

trabajando. La otra gran ventaja es con respecto a los costos. El DGPS

postprocesado no necesita del "link" de radio, ya cual es una gran ventaja cuando

las distancias son muy grandes, ya que el costo de un Transmisor - receptor es

mayor que el costo del propio receptor GPS.

2.14.3. DGPS de Campo

Esta tercera variante del DGPS es una alternativa para quien posee solo

receptores absolutos. La precisión oscila entre los 15 y 10 metros y es ejecutado

de la siguiente manera:

o Se estaciona un receptor absoluto en un punto de coordenadas

conocidas.

o Se combinan las horas minutos y segundos (las correcciones

diferenciales varían a cada 15 segundos) en los cuales se grabarán

los puntos, tanto en el receptor fijo, cuanto en el móvil (debe ser el

mismo horario para ambos).

o Después de la operación de campo, para cada punto grabado en la

base se calculan las diferencias simples Ap, Ak y AH, para cada

horario combinado.

o Se verifica si los satélites recibidos por el receptor base fueron los

mismos para el receptor "rover" en cada horario que los puntos

fueron grabados (esta información es coman entre todos los

receptores, en la grabación de coordenadas de puntos grabados y

nominados).



o Se eliminan entonces los puntos que no satisfacen la condición

anterior.

o Para el resto de los puntos se aplican entonces las diferencias

calculadas para cada punto/horario.

2.15. MÉTODO RELATIVO INTERFEROMÉTRICO

Hasta el momento se describió el posicionamiento GPS utilizando los

códigos de pseudo-distancia C/A y P como elementos para el cálculo de las

distancias receptor - satélite capaz de resolver las ecuaciones de trilateración

espacial.

El Método Relativo Interferométrico es por amplio margen el mas preciso

de todas las técnicas de geoposicionamiento GPS. Se basa en la medida de las

distancias receptor satélite, no por la comparación de los "ranging-codes", sino

por el cúmulo de las distancias a través de la propia onda portadora mediante

procesos interferométricos.

Los cálculos interferométricos se basan en las diferencias de fase de

portadoras L1 y L2, dejando el satélite y llegando a la antena del receptor.

Modelando estas diferencias de fase se calcula el número entero de

longitudes de onda entre el receptor y el satélite, conocido como "ambigüedad

entera". Calculando las ambigüedades para cada satélite, basta multiplicar estos

enteros por la longitud de onda X, de cada portadora, sumándose a continuación

las diferencias de fase, para obtener entonces no las pseudo-distancias, sino la

verdadera distancia entre el receptor y el satélite, para cada instante.

2.16. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

Aunque pueda parecer improbable, la idea general detrás del GPS es

utilizar los satélites en el espacio como puntos de referencia para posicionarnos

aquí en la tierra.

Esto se logra mediante una muy exacta, medición de nuestra distancia

hacia al menos tres satélites, lo que nos permite "triangular" nuestra posición en

cualquier parte de la tierra.



Como veremos mas adelante, en realidad se producen los cálculos por

“trilateración” y no por triangulación, puesto que se miden “distancias” y no

“ángulos”),

Olvidémonos por un instante sobre cómo mide nuestro GPS dicha

distancia. Consideremos primero, como, la medición de esas distancias nos

permiten ubicarnos en cualquier punto de la tierra, para ello:

Supongamos que medimos nuestra distancia al primer satélite y resulta

ser de 20.000 Km.

Sabiendo que estamos a 20.000 Km. de un satélite determinado, no

podemos por lo tanto estar en cualquier punto del universo sino que esto limita

nuestra posición a la superficie de una esfera que tiene como centro dicho satélite

y cuyo radio es de 20.000 Km.

Figura 30: Localización con una pseudodistancia.

A continuación medimos nuestra distancia a un segundo satélite y

descubrimos que estamos a 23.000 Km. del mismo, esto nos dice que no

estamos solamente en la primer esfera, correspondiente al primer satélite, sino

también sobre otra esfera que se encuentra a 23.000 Km. del segundo satélite.

En otras palabras, estamos en algún lugar de la circunferencia que resulta de la

intersección de las dos esferas.



Figura 31: Localización con dos pseudodistancias

Si ahora medimos nuestra distancia a un tercer satélite y descubrimos

que estamos a 25.000 Km. del mismo, esto limita nuestra posición aún mas, a los

dos puntos en los cuales la esfera de 25.000 Km. corta la circunferencia que

resulta de la intersección de las dos primeras esferas.

Figura 32: Localización con tres pseudodistancias



O sea, que midiendo nuestra distancia a tres satélites limitamos nuestro

posicionamiento a solo dos puntos posibles. (Puntos “a” de la figura 32).

Para decidir cual de ellos es nuestra posición verdadera, podríamos

efectuar una nueva medición a un cuarto satélite. Pero normalmente uno de los

dos puntos posibles resulta ser muy improbable por su ubicación demasiado

lejana de la superficie terrestre y puede ser descartado sin necesidad de

mediciones posteriores.

El problema es que el método para estimar la distancia hasta un satélite

depende en extremo de la calidad de los relojes empleados para medir el tiempo.

Los factores que afectan a la medida de la distancia son:

El desfase en el reloj del receptor (que suele ser de calidad media)

puede provocar un apreciable error de distancia.

Los errores en el reloj del satélite suelen ser despreciables, pero

también hay que considerarlos.

La propagación a través de la atmósfera produce un retardo variable

debido a que la refracción que provoca varía de forma poco predecible.

Por estas razones lo que un receptor mide a partir de las señales

recibidas son pseudodistancias, en las que se incluye un error provocado por las

derivas de reloj del usuario, los retardos variables de la ionosfera, etc.

Para el receptor hay 4 incógnitas a resolver: las tres coordenadas de su

posición, y la diferencia entre su reloj local y el tiempo universal GPS.



CAPÍTULO III

ERRORES EN LAS OBSERVACIONES

3.1. INTRODUCCIÓN

Una vez en proceso de toma de datos y con posterioridad a la

visualización de la información que nos muestra el receptor, también hemos de

controlar una serie de parámetros que van a condicionar de gran manera las

precisiones que podamos obtener:

Al igual que cualquier observación de topografía clásica, una observación

GPS está sometida a varias fuentes de error que se pueden minimizar o modelar

según los equipos y metodología de observación que utilicemos. Un receptor

determina las distancias que hay entre su antena y las antenas de los satélites

desde los cuales está recibiendo su señal. Basándose en estas distancias y en el

conocimiento de las posiciones de los satélites, el receptor puede calcular su

posición. Sin embargo, diversos errores afectan a la medida de la distancia y por

consiguiente se propagan al cálculo de la posición del receptor.

Las medidas de código y las medidas de fase se ven afectadas por

errores sistemáticos y por ruido aleatorio. La precisión en posicionamiento

absoluto que un usuario puede alcanzar con un receptor depende principalmente

de cómo sus sistemas de hardware y software puedan tener en cuenta los

diversos errores que afectan a la medición. Estos errores pueden ser clasificados

en tres grupos: los errores relativos al satélite, los errores relativos a la

propagación de la señal en el medio, y los errores relativos al receptor.

Tabla 1: Clasificación de los errores en el posicionamiento con satélites.

ELEMENTO FUENTE DE ERROR

Errores en el oscilador

Satélite

Errores o variaciones en los

parámetros orbitales



Refracción ionosférica

Refracción troposférica

S/A. Disponibilidad Selectiva

Pérdidas de ciclos

Propagación de la

señal

Multipath. Ondas reflejadas

Errores en el oscilador

Error en las coordenadas del

punto de referencia

Error en el estacionamiento

Error en la manipulación del

equipo

Receptor

Variación y desfase del centro de

la antena

Algunos de estos errores sistemáticos pueden ser modelados e incluso

eliminados utilizando combinaciones apropiadas de los observables a partir de

una o dos frecuencias, o trabajando en modo diferencial, utilizando dos

receptores.

En la medida de la calidad y bondad de una observación van a influir o

contribuir dos términos: el URE y el DOP. El URE (User Range Error) es el error

cometido en la medida de la seudo distancia por el usuario. Este error contempla

los errores al predecir las efemérides, inestabilidades en el vehículo espacial,

relojes de los satélites, efectos ionosféricos y troposféricos, efecto multipath, ruido

de la señal y para GPS, la Disponibilidad Selectiva (SA). Todos estos errores en

su conjunto se recogen en el valor σURE. El DOP o Dilución de la Precisión es la

contribución puramente geométrica al error en el posicionamiento de un punto. Es

un valor adimensional que da una idea de la solidez de la figura formada por el

receptor y los satélites que tiene a la vista. Analizando estos factores de error en

su conjunto, el error en el posicionamiento de un punto viene expresado por:



Error rms de posición = σURE · DOP

3.2. ERRORES RELATIVOS AL SATÉLITE

3.2.1. Error del reloj del satélite

La sincronización de los relojes y la de las frecuencias del sistema GPS

se realizan desde el Segmento Terrestre del sistema. Todas las frecuencias de

los satélites están sincronizadas con los relojes de los satélites, y la mayor

desviación diaria permitida de la frecuencia de reloj es de 10-12 MHz (o lo que es

lo mismo: una millonésima de Hz.). Dada la extrema exactitud precisada, como

citamos anteriormente, hay que considerar los efectos relativistas provocados por

la gran velocidad de los satélites y por la diferente gravedad existente a 20169

Km. de la Tierra.

Este error es el desfase que tiene el reloj del satélite respeto al Tiempo.

Los satélites llevan relojes atómicos con osciladores de cesio y de rubidio, sin

embargo ningún reloj, incluso el atómico es perfecto.

Los errores en los osciladores de los satélites pueden eliminarse

mediante las correcciones enviadas en el mensaje de navegación que recibe el

receptor, y que son calculadas y actualizadas por las estaciones de seguimiento.

Para cada reloj de satélite se determina su desfase para una época

inicial, y los coeficientes de la marcha o deriva del estado del reloj. Estos

parámetros se graban en el correspondiente satélite y se incluyen en el mensaje

de navegación que manda el satélite. Pero aunque el receptor aplique las

correcciones para el error del reloj del satélite, sigue permaneciendo un pequeño

error residual estimado en unos 10 nanosegundos o menos, y que es debido a la

imposibilidad de predecir exactamente la marcha del estado del reloj del satélite.

3.2.2. Errores en los parámetros orbitales

Para calcular su posición, el receptor debe conocer las posiciones de los

satélites. Las estaciones de seguimiento registran datos de seudo distancia y

medidas de fase que mandan a la Estación de Control principal, donde con un

sofisticado software se predicen las futuras posiciones orbitales de los satélites,



es decir sus efemérides. Éstas son transmitidas en el mensaje de navegación del

satélite. Pero las efemérides transmitidas por los satélites tendrán asociado un

error a causa de que es imposible predecir exactamente sus posiciones. El efecto

del error de las efemérides transmitidas en la medida de la seudo distancia se

obtiene proyectando el vector error de la posición del satélite sobre el vector que

une el satélite y el receptor. Los errores en los parámetros orbitales se pueden

eliminar trabajando con las efemérides precisas de los días de observación,

donde aparecen las verdaderas posiciones de los satélites.

Para líneas base cortas, trabajando en modo diferencial con dos

receptores, respecto a los mismos satélites de observación, podemos eliminar

todos los errores relativos a los satélites, ya que afectan de igual forma a ambos

receptores. Para líneas base largas, el error del reloj del satélite se elimina igual,

ya que es independiente de la línea base e igual en ambos puntos, pero los

errores en los parámetros orbitales no se eliminan del todo, porque los errores

que provocan en la seudo distancia a un satélite en un punto no son los mismos

que los que se producen en el otro punto para el mismo satélite e instante.

3.3. ERRORES RELATIVOS A LA PROPAGACIÓN DE LA SEÑAL

Debemos comentar un aspecto común a todos los sistemas que empleen

emisiones radioeléctricas.

Una onda electromagnética que provenga del espacio debe atravesar tres

zonas características antes de alcanzar un receptor estacionado sobre la

superficie terrestre: el vacío, la ionosfera y la troposfera.

El retardo se define aquí como el incremento que sufre el tiempo de

propagación de una señal electromagnética entre dos puntos al efectuarse el

tránsito por un medio que no sea el vacío, en vez de hacerlo por el vacío.

Se debe a dos factores: la velocidad de propagación es menor y la

trayectoria (si el medio no es isótropo) aumenta su longitud al curvarse por

refracción y ser envolvente de la recta que une los puntos origen y destino de la

señal.

También hay que considerar los efectos relativistas sufridos por la señal

al propagarse entre dos puntos con diferentes gravedades y velocidades relati-

vas.



Figura 33: Representación esquemática de la influencia atmosférica en las

señales provenientes de los satélites GPS.

La velocidad de propagación de la señal es crítica para cualquier sistema

de medida de distancias. Esta velocidad multiplicada por el intervalo de tiempo en

que se propagó la señal nos da una medida de la distancia. Si una onda

electromagnética se propaga por el vacío, su velocidad de propagación, sea cual

sea su frecuencia es la velocidad de la luz (c). Sin embargo, en el caso de

observaciones GPS o GLONASS, las señales deben atravesar las capas de la

atmósfera hasta llegar al receptor posicionado sobre la superficie de la tierra. Las

señales interaccionan con partículas cargadas, que provocan un cambio en la

velocidad y dirección de propagación, es decir, las señales son refractadas.

3.3.1. Refracción ionosférica.

Una de las principales causas de error es la refracción provocada por la

ionosfera y la troposfera. Las diferencias de tiempo son variables y poco

previsibles, y pueden ser tan costosas en distancia como 100 metros (con un

valor s de 20-30 metros de día y 3-6 metros de noche), pero si se utilizan dos

frecuencias distintas se puede estimar el efecto real

La Ionosfera es aquella región de la atmósfera comprendida entre 100 y

1000 Km. de altitud, donde las radiaciones solares y otras radiaciones ionizan una

porción de las moléculas gaseosas liberando electrones, que interfieren en la

propagación de ondas de radio.



La Ionosfera es un medio disperso para ondas de radio, por lo tanto su

índice de refracción es función de la frecuencia de la onda. También es función

de la densidad de electrones, y en menor grado, de la intensidad del campo

magnético de la tierra.

Este error es negativo para la medida de fase (se produce un avance de

la portadora y se miden distancias más pequeñas), y positivo para las seudo

distancias (se produce un retardo y se miden distancias más largas), pero tienen

el mismo valor absoluto.

El error es proporcional a la densidad de electrones (TEC-Total Electron

Content) a lo largo del camino seguido por la señal, y está en función del

cuadrado de la longitud de la onda (inversamente proporcional al cuadrado de la

frecuencia de la portadora). Este error varía espacial y temporalmente, es decir,

para cada punto según su latitud y longitud, y momento de la observación. Se

pueden utilizar modelos ionosféricos, que establecen la distribución del TEC, pero

estas concentraciones de electrones son irregulares y poco predecibles, por lo

que cualquier modelo ionosférico es sólo una aproximación. El TEC es función del

cambio constante en la ionización solar, de la actividad magnética, de los ciclos

de las manchas solares, hora del día, lugar de observación, y dirección del

camino de la señal.

Debido a la dificultad de encontrar un modelo satisfactorio, se emplea un

método más eficiente para eliminar la refracción ionosférica que es la utilización

de dos señales con diferentes frecuencias. Como el retardo depende de la

longitud de la onda, será distinto para cada frecuencia y podremos observar un

retardo diferencial entre ambas, que será mayor cuanto mayor sea el retardo

ionosférico sufrido, siendo por tanto este deducible.

También se pueden utilizar combinaciones de las observables que por su

naturaleza estén libres del efecto ionosférico. Tal es el caso de la combinación de

fases llamada “combinación libre de efecto ionosférico”, lo que se pretende es

obtener coeficientes para que los valores del efecto ionosférico que sufren

ambas portadoras sea eliminado.

La eliminación de la refracción ionosférica es la mayor ventaja de la

combinación lineal libre de efecto ionosférico, pero el término libre de efecto

ionosférico no es del todo correcto, ya que para su obtención hay que considerar

algunas aproximaciones.



Si sólo se registran medidas en una sola frecuencia, tanto en seudo

distancias como en medida de fase, entonces se tiene que emplear un

procedimiento alternativo para eliminar el efecto ionosférico. Normalmente se

usan modelos empíricos para corregir el efecto, en los que se modela el TEC en

función del tiempo, lugar de observación y dirección de la señal. En el mensaje de

navegación se incluyen unos parámetros para tal modelo. Usando este modelo se

pueden llegar a reducir en un 50% los efectos de la Ionosfera.

El retardo ionosférico depende del ángulo de elevación del satélite,

siendo menor en el cenit, y mayor cuando disminuye el ángulo de elevación. En

observaciones nocturnas, los niveles de TEC son menores que durante el día, lo

que implica un menor error en la seudo distancia.

Pero después de la aplicación del modelo empírico transmitido puede

quedar algún error ionosférico residual que afectará principalmente a la

componente altimétrica del punto y a la estimación del error del reloj del receptor.

Este error contribuye poco a la posición planimétrica cuando la

concentración de electrones encima del receptor es uniforme.

3.3.2. Refracción troposférica

La Troposfera es la última zona o capa de la atmósfera (hasta unos 80

Km., pero sólo en los últimos 40 se producen retardos significativos), donde se

produce retardo y donde las temperaturas decrecen con el incremento de altura.

El espesor de la Troposfera no es el mismo en todas las zonas. La

presencia de átomos y moléculas neutros en la Troposfera afecta a las señales

de propagación electromagnética.

La desventaja está en que no es posible eliminar la refracción troposférica

con medidas en las dos frecuencias.

Se puede mejorar el cálculo del retardo troposférico tomando datos

meteorológicos en el lugar de observación.

El gradiente térmico admite modelación con precisión aceptable, pero el

principal problema está en la forma de modelar el vapor de agua, que tiene una

irregular distribución. El simple uso de medidas meteorológicas en superficie no

puede dar la precisión alcanzable con los radiómetros de vapor de agua. Estos

instrumentos miden la radiación basal que se recibe desde el espacio en la



dirección de la observación, y son capaces de medir el contenido de vapor de

agua en la atmósfera.

El efecto del retardo ionosférico y el troposférico debido al vapor de agua

sobre las emisiones de la banda radioeléctrica es menor cuanto mayor sea la

frecuencia, o cuanto menor sea la longitud de la onda. La refracción ionosférica y

troposférica puede ser eliminada trabajando en modo diferencial, pero esto es

sólo cierto para líneas base pequeñas, donde las medidas de distancias satélite-

receptor se ven afectadas de igual forma por la refracción. De otro modo, ya

vimos que la refracción ionosférica puede ser eliminada utilizando una adecuada

combinación de datos en doble frecuencia.

3.3.3. Disponibilidad selectiva

Existen dos formas de hacer efectivo la S/A:

1) La primera es la variación directa de la frecuencia generadora del

Código C/A

2) La segunda es la introducción en el "buffer" del satélite, de

efemérides erradas.

La Disponibilidad Selectiva supone una alteración o manipulación de la

información que los satélites de la constelación GPS envían a los usuarios en su

mensaje de navegación, manipulación que realiza el Departamento de Defensa

de los Estados Unidos (DoD). Se actúa sobre los estados de los relojes y

parámetros orbitales. Trabajando con posicionamiento relativo o diferencial se

puede eliminar este error.

3.3.4. Pérdidas de ciclos

Las pérdidas de ciclos (cycle slips), suponen un salto en el registro de las

medidas de fase, producido por alguna interrupción o pérdida de la señal enviada

por el satélite. Estas pérdidas de ciclos pueden ser causadas por la obstrucción

de la señal del satélite debido a la presencia de árboles, edificios, puentes,

montañas, etc. Esta causa es la más frecuente, pero también pueden ser debidas

a una baja calidad señal-ruido, debido a unas malas condiciones ionosféricas,

efecto multipath, receptores en movimiento, o baja elevación del satélite. Otra

causa puede ser un fallo en el software del receptor, que conduce a un

procesamiento incorrecto de la señal. Una última causa de pérdida de ciclo,



aunque suele darse en raras ocasiones, es aquella debida a un mal

funcionamiento del oscilador del satélite.

Una vez determinado el tamaño de la pérdida de ciclo, el software interno

del receptor es capaz (in situ) de detectar y corregir las pérdidas de ciclo.

3.3.5. Efecto multipath

El efecto multipath o multicamino es causado principalmente por múltiples

reflexiones de la señal emitida por el satélite en superficies cercanas al receptor.

Figura 34: Esquema del efecto Multipath y del bloqueo de señales.

Estas señales reflejadas que se superponen a la señal directa son

siempre más largas, ya que tienen un tiempo de propagación más largo y pueden

distorsionar significativamente la amplitud y forma de la onda. Este efecto puede

ser considerablemente reducido eligiendo puntos de estación protegidos de

reflexiones (edificios, vehículos, árboles, etc.), es decir, evitar las superficies

reflectantes en las proximidades del receptor; y por un apropiado diseño de la

antena, como es la utilización de planos de tierra, que reducen las interferencias

de señales con baja elevación o incluso con elevación negativa, que son las que

provocan el multipath, en otras palabras, se intenta reducir la intensidad de las

señales secundarias y aislar a la señal directa. El efecto multipath depende de la

frecuencia de la portadora. Por lo tanto, las medidas de fase se verán menos

afectadas que las medidas de código, donde el efecto multipath puede alcanzar

hasta el nivel de metro.



La propagación multipath afecta tanto las mediciones de código como las

de diferencia de fase. Se han registrado en observaciones con código P con

variaciones de 1 a 3 m en un ambiente favorable y de 4 a 5 m en un ambiente

con muchas reflexiones. Bajo las peores condiciones de recepción el multipath de

la señal del código puede causar que se pierda el bloqueo de fase en el receptor.

Muchos cycle slips son producto de efectos multipath.

El multipath de la señal del código se torna particularmente crítico cuando

se usa la técnica de combinación de código y portadora para la resolución de

ambigüedades. Los efectos multipath tienen que ser tomados en cuenta con el

creciente uso de receptores de código P en levantamientos precisos y rápidos.

A causa de la geometría de los satélites que va cambiando, el efecto

multipath también va variando.

El efecto multipath en los resultados de posición puede ser minimizado

con observaciones de un periodo de tiempo más extenso. Esto no es posible en

mediciones cinemáticas o estáticas rápidas. Investigaciones han demostrado un

error muy alto, causado por multipath, de hasta ±15 cm. Por ello es importante

evitar la propagación multipath.

Para minimizar los efectos se pueden tomar las siguientes medidas:

• Seleccionar las estaciones de observación con cuidado, evitando

reflectores cercanos

• Usar antenas diseñadas con cuidado (microstrip, choke, cavity backed),

empleando planchas de base de antena

• Usar material absorbente cerca de la antena.

3.4. ERRORES RELATIVOS AL RECEPTOR.

3.4.1. Error del reloj

Dado que en la información que nos llega de los satélites, estos nos

transmiten el tiempo exacto en el que empezaron a emitir su mensaje codificado,

y que los receptores miden, también, el tiempo exacto en el que recibieron cada

señal, podremos calcular una medida de distancia entre el receptor y el satélite,

conociendo la velocidad de propagación de la onda y el tiempo transcurrido desde



que se emitió la señal hasta que fue recibida. El problema surgirá cuando los

relojes del satélite y el receptor no marquen el mismo tiempo.

Notemos lo importante que es te tema que un microsegundo de desfase

se traduce en un error de 300 metros en la medición de la distancia.

Cuando un receptor recibe una señal de un satélite, en ese momento su

reloj interno tendrá un desfase o error con respecto a la Escala de Tiempo. Este

error afectará a todas las medidas de seudo distancias realizadas para cada

época.

Los errores en los osciladores de los receptores los podemos eliminar

trabajando con posicionamiento relativo por medidas de fase, planteando las

ecuaciones de dobles diferencias.

3.4.2. Error en el estacionamiento de la antena

Los errores en el estacionamiento de la antena tienen menos influencia y

las exigencias de estacionamiento son muy inferiores a las de los instrumentos de

observación clásica. No necesitan una altísima estabilidad, ya que pequeños

desplazamientos, vibraciones o torsiones en nada afectan a la observación de las

señales de los satélites.

3.4.3. Errores en la manipulación de los equipos

Los errores de manipulación se producen cuando no se siguen las

instrucciones del fabricante del instrumento o cuando éstas suelen descuidarse

cuando se trabaja rutinariamente. Por ejemplo, es importante no comenzar una

observación hasta que no se hayan sincronizado perfectamente todos los

satélites, ya que lo único que estaremos haciendo es introducir ruido a la

observación.

3.4.4. Variación del centro radioeléctrico de la antena

La variación y desfase del centro de la antena se debe a la falta de

coincidencia entre el centro radioeléctrico o punto que realmente se posiciona, ya

que es el punto al que llega la señal; y el centro mecánico o físico, generando un

error residual por excentricidad que puede ser de unos milímetros. Para evitar

este error en posicionamiento relativo se recomienda una orientación aproximada



común para todas las antenas, ya que el fabricante monta en el interior de todas

las carcasas el elemento físico receptor en la misma posición respecto a alguna

referencia exterior del conjunto, y trabajando en modo diferencial este error se

eliminará en ambas estaciones.

3.5. DILUCIÓN DE LA PRECISIÓN

El efecto de la posición relativa de los satélites en relación al receptor es

conocido como número DOP o dilución de la precisión.

La geometría de los satélites visibles es un factor importante a la hora de

conseguir altas precisiones en el posicionamiento de un punto. Dicha geometría

cambia con el tiempo como consecuencia del movimiento orbital de los satélites.

Figura 35: Efecto de la geometría de los satélites en la ubicación de un

punto. (Obsérvese el área de intersección).

Un factor que mide la bondad de esta geometría es el denominado factor

de dilución de la precisión (dilution of precision, DOP).

a b

Figura 36: Esquemas de PDOP favorable (a) y desfavorable (b)



El valor del DOP puede ser interpretado geométricamente como el

volumen del cuerpo formado por los satélites y el receptor. Cuanto mayor sea el

volumen de este cuerpo mejor será la geometría, y por lo tanto menor será el

valor del DOP, siendo el valor ideal la unidad.

Como ya se vio anteriormente, el valor del DOP es el factor por el que

debe ser multiplicado el error obtenido en las seudo distancias para obtener el

error final en el posicionamiento. Los valores de DOP más utilizados son los

siguientes:

* GDOP: Dilución de precisión en posición y estado del reloj.

* PDOP: Dilución de precisión en posición.

* TDOP: Dilución de precisión en el estado del reloj.

* HDOP: Dilución de precisión en planimetría.

* VDOP: Dilución de precisión en altimetría.

* RDOP: Dilución de precisión relativa entre dos puntos.

La geometría de la constelación de satélites influye mucho en el error. Si

el usuario se encuentra en un lugar donde las rectas que le unen con los satélites

son casi perpendiculares entre ellas, el área de incertidumbre de intersección

será mucho menor. Si los ángulos no son perpendiculares el área de

incertidumbre será mayor. En el último caso se dice que presenta una geometría

pobre, y la exactitud puede ser 10 veces peor que con buena geometría. Esa

influencia de la geometría se expresa con el parámetro GDOP (Geometrical

Dilution Of Position) que multiplicado por los demás errores da el error total

cometido

Tabla 2: Resumen de las fuentes de error del sistema GPS

Fuentes de Error GPS Standard GPS Diferencial

Reloj del Satélite 1.5 0

Errores Orbitales 2.5 0

Ionosfera 5.0 0.4

Troposfera 0.5 0.2

Ruido en el Receptor 0.3 0.3



Señal Fantasma 0.6 0.6

Disponibilidad Selectiva 30 0

Exactitud Promedio de Posición

Horizontal 50 1.3

Vertical 78 2.0

3-D 93 2.8 Errores típicos, en Metros

3.6. CONCLUSIÓN

En función de todo lo aquí visto, no parece descabellado el comentario de

que cualquier Empresa de nuestro ramo que no emplee la tecnología GPS en uno

o dos años, no podrá ofrecer precios competitivos en los muchos trabajos en los

que se pueda aplicar esta nueva técnica.

Pero tampoco debemos caer en demagogias y creer que el GPS antes o

después será una panacea. De hecho solo podremos realizar una navegación

muy precisa o dar coordenadas de puntos con amplias posibilidades, pero

supeditando siempre el grado de precisión a la duración de la observación.

Por otro lado, las técnicas clásicas seguirán siendo vigentes, aunque

siempre cada vez más apoyadas, y lo que es más interesante, homogeneizadas,

al disponer siempre de un sistema de referencia tan estable y eficaz como el que

ofrece el GPS en las aplicaciones Geográficas.



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